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《分子細(xì)胞》:表觀遺傳信息傳遞是一個(gè)兩步驟過程

日期:2014-03-24 09:01:09

 

目前,印第安那大學(xué)(IU)的科學(xué)家們解開了現(xiàn)代遺傳學(xué)的一個(gè)謎團(tuán):獲得性狀如何在一個(gè)稱為表觀遺傳信息傳遞epigenetic inheritance,通過有絲分裂或減數(shù)分裂來傳遞非 DNA 序列遺傳信息的現(xiàn)象)的過程中世代傳遞?這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),根據(jù)DNA中的信息,細(xì)胞并不知道該沉默哪些基因,但是它們能識(shí)別添加到基因中的化學(xué)遺傳標(biāo)記。這些化學(xué)標(biāo)簽起分子記憶的作用,使細(xì)胞能夠識(shí)別基因,并記住它們,在新的世代中再次沉默它們。

 

IU生物學(xué)家和生物化學(xué)家Craig Pikaard帶領(lǐng)的一個(gè)研究小組完成的這些研究成果,為植物細(xì)胞如何知道在每一世代中沉默一個(gè)遺傳位點(diǎn),提供了重要的新見解。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2014320日的《分子》(Molecular Cell)雜志。

 

細(xì)胞并不依賴內(nèi)在的DNA序列信息,而是通過依賴DNA和蛋白質(zhì)復(fù)合物(稱為染色質(zhì))上的化學(xué)標(biāo)記,來沉默特定的位點(diǎn)。常見的染色質(zhì)化學(xué)修飾方式有甲基化-去甲基化,乙酰化-去乙酰化,磷酸化-去磷酸化等等。

 

使染色質(zhì)標(biāo)記永久存在的能力,其實(shí)充當(dāng)一種表觀遺傳記憶的形式,使沉默位點(diǎn)具有識(shí)別性,這是細(xì)胞將機(jī)器傳遞給位點(diǎn)所需要的一種預(yù)先設(shè)定的狀態(tài),其在一個(gè)多步驟過程(稱為RNA指導(dǎo)的DNA甲基化,RdDM)中完成了基因沉默。RdDM包括短的干擾RNAsiRNA),siRNA24核苷酸長的小RNA分子,可指導(dǎo)甲基原子團(tuán)添加到匹配的DNA鏈,最終使基因不起作用。

 

Pikaard說:“重要的是,這項(xiàng)工作表明,沉默位點(diǎn)識(shí)別對(duì)于基因沉默必不可少。我們發(fā)現(xiàn),表觀遺傳信息傳遞是一個(gè)兩步驟過程,這兩個(gè)獨(dú)立的步驟一起引起了沉默狀態(tài)的表觀遺傳信息傳遞。”

 

科學(xué)家們之所以對(duì)表觀遺傳信息傳遞感興趣,是因?yàn)樗且粋€(gè)重要的過程,在這個(gè)過程中發(fā)生的基因功能的可遺傳修飾是必不可少的,而生物體DNA堿基序列沒有發(fā)生變化。某些疾病如癌癥,偶爾發(fā)生在一個(gè)人的一生中,越來越多人認(rèn)為其具有一個(gè)表觀遺傳基礎(chǔ)。

 

Pikaard指出,這項(xiàng)新工作不僅對(duì)表觀遺傳信息傳遞的機(jī)制提出了新的見解,這是遺傳學(xué)和染色體生物學(xué)領(lǐng)域一個(gè)廣泛關(guān)注的話題,而且還有助于解釋兩種植物特異基因沉默酶——RNA 聚合酶Pol IVPol V——的招募基礎(chǔ),在1999年,Pikaard首先發(fā)現(xiàn)了這兩種酶。

 

研究人員檢測和鑒定了脫乙酰化酶6HDA6)——去除組蛋白乙酰基的一種酶,和甲基化轉(zhuǎn)移酶MET1之間的關(guān)系,他們發(fā)現(xiàn),這兩種酶在維持甲基化中的伙伴關(guān)系,可以解釋導(dǎo)致沉默位點(diǎn)識(shí)別的表觀遺傳記憶永久性。

 

Pikaard說:“總的來說,我們的研究結(jié)果表明,通過HDA6MET1,沉默位點(diǎn)識(shí)別可在世代之間延續(xù)相傳。這些活動(dòng)不足以沉默位點(diǎn),但是能保持一種染色質(zhì)狀態(tài),這是Pol IV招募、siRNA生物合成和RdDM所必需的。”

 

當(dāng)研究人員在模式植物擬南芥(Arabidopsis thaliana)的Pol IVPol V突變株中去除RdDM通路后,所有基因沉默都消失,但是沉默位點(diǎn)識(shí)別仍然存在。然后他們將HDA6和指定沉默位點(diǎn)識(shí)別的MET1依賴性過程去除,沉默位點(diǎn)識(shí)別所需的表觀遺傳記憶消失,并無法恢復(fù)。

 


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