Science：在单细胞水平观察表观遗传动态调节 基醒睡昏长

顾汉现

Science：在单细胞水平观察表观遗传动态调节

2016-03-15 10:00



图片来自L. Bintu, J. Yong, and M.B. Elowitz /Caltech。

2016年3月15日讯 /生物谷BIOON/ --我们是否能够对活细胞进行重编程以便让它们做我们想要它们在体内做的事情呢？执行这样的控制---合成生物学的一个主要目标---可能允许开发基于细胞的疗法以便可能有朝一日替换用于治疗疾病（如癌症）的传统药物。然而，为了实现这个长期目标，科学家们必须首先学着对细胞做的很多关键事情（如细胞彼此之间通信）进行编程，改变它们变成一种特定细胞类型的命运，以及记住它们遇到的化学信号。

如今，在一项新的研究中，来自美国加州理工学院的Michael Elowitz、Lacramioara Bintu、John Yong、Yaron E. Antebi、Kayla McCue和来自日本鸟取大学的Yasuhiro Kazuki、Narumi Uno、Mitsuo Oshimura在能够利用细胞自然进化出的工具对细胞记忆进行编程的目标上迈出了重要一步。通过将合成生物学方法与追踪单个细胞行为的延时拍摄影片（time-lapse movies）技术结合起来，他们确定了一类被称作染色质调节物（chromatin regulator）的蛋白中的4个成员如何建立和控制细胞维持一种特定基因表达状态的能力，并且记住它，即便建立这种状态的信号已消失，也是如此。相关研究结果近期发表在Science期刊上，论文标题为“Dynamics of epigenetic regulation at the single-cell level”。这些染色质调节物能够对DNA进行表观遗传修饰。

加州理工学院生物学与生物工程教授、霍华德-休斯医学研究所（HHMI）研究员Elowitz说，“我们选择几种最为重要的染色质调节物进行测试以便理解它们不仅在自然条件下如何被使用，而且每种提供什么特殊的技能。我们正在研究它们以便找出我们能够让它们为我们做什么。”

动物细胞不是依赖于单个蛋白对基因表达的“所有记忆（即表观遗传修饰）”进行编程，而是使用上百个不同的染色质调节物。这些蛋白中的每种基本上做相同的事情---它们修饰DNA片段从而改变基因表达。这就提出一个问题，为什么细胞需要全部的这些不同的染色质调节物？要么这个体系中存在大量的冗余，要么每个染色质调节物确实做独特的事情。如果是后者的话，那么合成生物学家将想要知道如何最好地使用这些调节物作为工具---如何选择理想的调节物实现某种影响或者说一种特定类型的细胞记忆。

为了寻找答案，研究人员寻求一种被Elowitz称之为“先构建再理解（build to understand）”的方法。研究人员并没有一开始就着手研究一种复杂过程以便试图找出它的每个步骤，相反，他们从头开始在细胞中构建目标生物系统，从而有机会观察当他们引入每种变化时实际会发生什么。

就这项研究而言，这意味着将不同的染色质调节物---4种基因沉默蛋白---结合到DNA的一个特定片段上，并观察每种采取什么行为。为此，研究人员对细胞进行改造：加入一种小分子，这会导致这4种基因沉默调节物中的一种调节物结合到编码一种荧光蛋白的特定基因附近的DNA上。通过追踪单个细胞中的荧光，研究人员能够轻松地确定这种调节物如何关闭该基因。研究人员也能够让这种调节物从DNA上释放出来，并观察该基因如何长时间地记忆这种调节物带来的影响。

尽管存在上百种染色质调节物，但是它们能够被归类为大约12种较大的类别。就这项研究而言，研究人员测试了来自4种生物化学性质不同的类别中的调节物。

Bintu说，“我们测试了多种调节物以便观察不同的调节物是否产生不同类型的行为。事实确实如此。”

在一个月时间内，研究人员使用显微镜或流式细胞仪观察这些活细胞，并利用他们编写的细胞追踪软件和延时拍摄影片观察单个细胞生长和分裂。在某些情形下，当一种调节物被释放出来后，这些细胞和它们的子细胞保持黑暗好几天，然后产生明亮的荧光，这就表明它们短暂地记住染色质调节物所导致的表观遗传修饰。在其他情形下，这些细胞从没有产生明亮的荧光，这指示着更为永久的记忆。

在表观遗传修饰之后，这些基因总是处于三种状态中的一种：“醒着”，活跃地制造蛋白；“睡着”，不活跃，但能够在几天内醒过来；“陷入昏迷”，不能够在30天内醒过来。在单个细胞内，这些基因总是要么完全开启，要么完全关闭。

这就导致研究人员获得令人吃惊的发现：这些调节物并不控制单个细胞中一个特定基因的表达水平或程度，而是控制一个群体中有多少细胞启动或关闭这个基因。

Elowitz说，“人们可控制某种事情开始或关闭的概率。我们认为这在多细胞有机体中通常是非常有用的东西---在很多情形下，这种有机体可能想要告诉细胞，‘我仅仅想要你们当中的30%出现差异。你们不需要全部都这样做。’这种染色质调节系统似乎为类似这些的命令作好准备。”

此外，研究人员发现这4种染色质调节物中的每种调节物给予的记忆类型是不同的。一种调节物产生永久的记忆，关闭这个基因，让一部分细胞在整整30天内处于昏迷状态。一种调节物产生短期记忆，这样一部分细胞将很快醒过来。Bintu说，“我们发现真正有趣的事情是其中的一些调节物产生一种混合记忆：细胞当中的一部分醒着，同时还有一部分处于深度昏迷状态。有多少细胞处于昏迷状态取决于多长时间施加这种信号，即一种染色质调节物多长时间结合到DNA上。”

接下来，研究人员计划以同样的方式研究其他的染色质调节物，以便更好地理解它们在细胞中有多种方式被使用，以及它们可能如何一起合作发挥作用。更长期而言，他们想要将这些蛋白与其他的细胞组分放在一起，以及开始对合成回路（synthetic circuit）中更加复杂的发育行为进行编程。

Elowitz说，“这是朝实现这个新出现的可编程细胞疗法的愿景迈出了一步。但是我们也正在解答更多的基础研究问题。我们将这些视为同一块硬币的两面。我们只有理解它们的核心途径提供什么样的功能，我们才能够有效地对细胞进行编程。”（Bioon.com）

http://science.sciencemag.org/content/351/6274/720



http://news.bioon.com/article/6679957.html  L

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