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Science揭示表觀遺傳復雜新層面

日期:2014-03-14 08:56:40

 

我們身體里的每個細胞都擁有完全相同的DNA,然而每個細胞都各不相同。細胞的身份是由它所激活的一組基因所決定。但細胞是如何知道開啟以及關閉哪些基因的呢?盡管我們DNA中攜帶的遺傳密碼為細胞提供了生成特異蛋白質的指令,決定特定細胞類型中實際激活基因的卻是第二密碼。

 

這種第二密碼是由附著在DNA上的蛋白質所攜帶。攜帶密碼的蛋白質被稱作為組蛋白。現在,來自冷泉港實驗室(CSHL)的研究人員和同事們發(fā)布了一項新研究,揭示出了組蛋白密碼的復雜新層面。他們發(fā)現單個組蛋白發(fā)生極微小的變異也會對我們DNA中編碼基因的使用產生顯著的影響。

 

組蛋白極其的重要,因為我們的遺傳物質非常巨大:身體內的每個細胞都將超過六英尺DNA包裹在微小細胞核——我們的肉眼都無法看見的小空間中。要將如此大量的DNA壓縮到微小空間中,DNA必須要緊密地纏繞線軸樣的組蛋白八聚體上,每個這樣的線軸都是由8個組蛋白所構成。每個細胞中有數百萬個這樣的線軸捆綁著整個基因組。

 

組蛋白可被標記上諸如甲基一類的化學標簽。組蛋白密碼是由整個基因組這樣的標記所形成的模式所構成。這些標記有時候被稱作為表觀遺傳標記。“第二”密碼是由提供指令導致細胞開啟或關閉特異基因的標記物所組成。

 

組蛋白可分為許多的類型,它們的結構發(fā)生微小變異會導致它們執(zhí)行不同的專門功能。科學家們發(fā)現一種稱作為H3的組蛋白可分為兩種亞型:H3.1H3.3。這些變體存在于基因組中非常不同的位置:H3.1只存在于基因未激活的基因組區(qū)域;而H3.3則只存在于基因激活的地方。科學家們一直想知道為什么兩種變體會與基因差異性的結合——H3.1結合失活基因,而H3.3結合活化基因。

 

在發(fā)表于《科學》(Science)雜志上的一篇新文章中,由冷泉港實驗室教授、霍華德休斯醫(yī)學研究所(HHMI)研究員Robert Martienssen以及渥太華大學的Jean-François Couture教授領導的一個研究小組宣稱他們揭開了這個秘密,探索了植物基因組一些獨特的方面。他們發(fā)現,H3.3組蛋白結構中的單個氨基酸變異使得它作為細胞的一種記憶裝置,標記了需要保持活性的基因。

 

MartienssenCouture以及論文的主要作者、冷泉港實驗室博士后研究人員Yannick Jacob證實,關鍵在于單個的表觀遺傳修飾。該研究小組與來自紐約大學的Danny Reinberg教授合作,發(fā)現H3.1可以被修飾帶上一種甲基化標記,而H3.3則不能。這種化學修飾就像一個旗幟一樣,向細胞發(fā)送信號示意鄰近的基因應該失活或沉默。“我們的研究結果強調了,組蛋白H3變體之間微小的結構差異會對整個表觀遺傳景觀造成顯著的影響,”Couture說。

 

在細胞分裂前、細胞復制它的遺傳物質之時,這種差異尤為重要。當細胞復制它的DNA時,它也必須保留劃定基因組活化和失活區(qū)域的一些表觀遺傳標記。事實上,將甲基化標記放置在H3.1上的沉默機器是與復制機器串聯在一起運作。“由于H3.3無法攜帶這種修飾,它存在于活化基因上使得它們逃避沉默。在我們的研究中,我們發(fā)現了細胞保護活化基因避免沉默,連續(xù)跨代保留這些記憶的一種方式。”

 

這一研究也暗示了遺傳物質的復制機制。“我們發(fā)現復制和轉錄都受到相同的高度保守的組蛋白調控。因此,是我們的染色體調控了這些最基本的遺傳物質特性,”Martienssen說。

 


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