Cell重要成果：重寫組蛋白密碼

日期：2012-08-02 08:27:07

遺傳記憶并不僅是依賴DNA序列。數(shù)十年的研究已經(jīng)確定了組蛋白和它們各種翻譯后修飾在決定基因激活，并將這些改變傳遞給下一代細(xì)胞中的重要性。

其中的一些修飾，例如H3K9me3（組蛋白H3 上9 位賴氨酸三甲基化）在基因沉默和異染色質(zhì)形成中發(fā)揮確定的作用。然而即便現(xiàn)在已經(jīng)知道許多可使組蛋白甲基化的酶，但在單個(gè)活細(xì)胞中這一甲基化過(guò)程的時(shí)間和調(diào)控仍然尚待闡明。

斯坦福大學(xué)的Gerald Crabtree對(duì)于嘗試?yán)皿w外染色質(zhì)重塑分析來(lái)解析這些問(wèn)題感到失望。“你或多或少地被卡在了人工模板處：短DNA片段與實(shí)際的模板沒(méi)有關(guān)系，真實(shí)的模板在不同的組織中會(huì)有著不同的組蛋白修飾，”他說(shuō)。

轉(zhuǎn)而他期盼有一種方法能夠讓他在活細(xì)胞的選擇位點(diǎn)快速添加和除去染色質(zhì)修飾。與博士后研究員Oliver Bell 和Nathaniel Hathaway一起，Crabtree在體內(nèi)分析中實(shí)現(xiàn)了這一想法。

研究人員開發(fā)出了一種染色質(zhì)體內(nèi)試驗(yàn)（CiA）系統(tǒng)，采用化學(xué)誘導(dǎo)接近來(lái)啟動(dòng)和終止活細(xì)胞中的染色質(zhì)修飾。在小鼠胚胎干細(xì)胞(ESCs)中他們利用鋅指蛋白或DNA結(jié)合蛋白Gal4靶向了干細(xì)胞自我更新必需的四種基因之一的Oct4的一個(gè)等位基因的啟動(dòng)子，并用GFP替換了Oct4第一個(gè)外顯子以報(bào)告基因表達(dá)。在科學(xué)家們確定修飾的Oct4等位基因?qū)?/SPAN>ESCs行為無(wú)影響后，他們誘導(dǎo)了異染色質(zhì)蛋白1（HP1）招募，選擇性地使HP1與H3K9結(jié)合，招募組蛋白甲基化酶，將甲基團(tuán)添加到鄰近的H3分子上，由此增加了染色質(zhì)上H3K9me3標(biāo)記。

通過(guò)染色質(zhì)免疫沉淀法監(jiān)控了GFP表達(dá)沉默和H3K9me3的擴(kuò)增。博士后研究人員Courtney Hodges利用一種數(shù)學(xué)模型計(jì)算了H3K9me3的擴(kuò)散速度。在3天持續(xù)的HP1招募后，研究人員觀察了一群帶有完全沉默Oct4啟動(dòng)子的細(xì)胞。除了H3K9me3，科學(xué)家們注意到DNA甲基化也有所增加。

Crabtree回憶說(shuō)：“我感到吃驚。招募HP1也招募了DNA甲基化系統(tǒng)，但有數(shù)據(jù)表明串?dāng)_確實(shí)存在，并增強(qiáng)了抑制的程度，使得它更加的穩(wěn)定。”

Oct4表達(dá)在分化細(xì)胞中被沉默，但是Crabtree和他的研究小組想知道異染色質(zhì)標(biāo)記是否可能會(huì)被活性轉(zhuǎn)錄清除。他們利用修飾的ESCs生成了一只小鼠，分離出胚胎成纖維細(xì)胞，使轉(zhuǎn)錄激活子靶向沉默的Oct4位點(diǎn)。他們觀察到僅24小時(shí)GFP表達(dá)即被再激活；5天后10%的細(xì)胞為GFP陽(yáng)性。在重編程過(guò)程中當(dāng)分化細(xì)胞恢復(fù)多能狀態(tài)時(shí)，沉默位點(diǎn)的再激活是必需的。Crabtree看到了這種染色質(zhì)體內(nèi)分析更多的潛在應(yīng)用?！斑@一技術(shù)使得我們可以研究重編程的機(jī)械基礎(chǔ)，”他說(shuō)。

對(duì)于Crabtree來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)工作大的教訓(xùn)之一就是他們發(fā)現(xiàn)的遠(yuǎn)沒(méi)有看到的多?！八沟梦覀兛梢灶A(yù)測(cè)漏洞在何處，”他說(shuō)。當(dāng)他們首次開發(fā)H3K9me3擴(kuò)散模型時(shí)，Crabtree回憶對(duì)于結(jié)果是滿意的，但很快發(fā)現(xiàn)是在HP1招募的頭幾個(gè)小時(shí)中，有一些正在發(fā)生的事情他們無(wú)法理解。HP1被快速招募，但第一個(gè)H3K9標(biāo)記出現(xiàn)要慢得多。一些東西似乎占據(jù)了首先需要被清除的位點(diǎn)。Crabtree稱這種因子為他們的分子中“不可見的部分”。他有一些想法例如采用RNA干擾或小分子篩查來(lái)弄清楚在染色質(zhì)沉默的頭幾個(gè)小時(shí)發(fā)生了什么。