Science揭示表观遗传复杂新层面

　　

生物通报道  我们身体里的每个细胞都拥有完全相同的DNA，然而每个细胞都各不相同。细胞的身份是由它所激活的一组基因所决定。但细胞是如何知道开启以及关闭哪些基因的呢？尽管我们DNA中携带的遗传密码为细胞提供了生成特异蛋白质的指令，决定特定细胞类型中实际激活基因的却是第二密码。

这种第二密码是由附着在DNA上的蛋白质所携带。携带密码的蛋白质被称作为组蛋白。现在，来自冷泉港实验室（CSHL）的研究人员和同事们发布了一项新研究，揭示出了组蛋白密码的复杂新层面。他们发现单个组蛋白发生极微小的变异也会对我们DNA中编码基因的使用产生显著的影响。

组蛋白极其的重要，因为我们的遗传物质非常巨大：身体内的每个细胞都将超过六英尺DNA包裹在微小细胞核——我们的肉眼都无法看见的小空间中。要将如此大量的DNA压缩到微小空间中，DNA必须要紧密地缠绕线轴样的组蛋白八聚体上，每个这样的线轴都是由8个组蛋白所构成。每个细胞中有数百万个这样的线轴捆绑着整个基因组。

组蛋白可被标记上诸如甲基一类的化学标签。组蛋白密码是由整个基因组这样的标记所形成的模式所构成。这些标记有时候被称作为表观遗传标记（延伸阅读：清华李海涛教授Nature携手华人科学家发表表观遗传重要成果 ）。“第二”密码是由提供指令导致细胞开启或关闭特异基因的标记物所组成。

组蛋白可分为许多的类型，它们的结构发生微小变异会导致它们执行不同的专门功能。科学家们发现一种称作为H3的组蛋白可分为两种亚型：H3.1和H3.3。这些变体存在于基因组中非常不同的位置：H3.1只存在于基因未激活的基因组区域；而H3.3则只存在于基因激活的地方。科学家们一直想知道为什么两种变体会与基因差异性的结合——H3.1结合失活基因，而H3.3结合活化基因。

在发表于《科学》（Science）杂志上的一篇新文章中，由冷泉港实验室教授、霍华德休斯医学研究所（HHMI）研究员Robert Martienssen以及渥太华大学的Jean-François Couture教授领导的一个研究小组宣称他们揭开了这个秘密，探索了植物基因组一些独特的方面。他们发现，H3.3组蛋白结构中的单个氨基酸变异使得它作为细胞的一种记忆装置，标记了需要保持活性的基因。

Martienssen、Couture以及论文的主要作者、冷泉港实验室博士后研究人员Yannick Jacob证实，关键在于单个的表观遗传修饰。该研究小组与来自纽约大学的Danny Reinberg教授合作，发现H3.1可以被修饰带上一种甲基化标记，而H3.3则不能。这种化学修饰就像一个旗帜一样，向细胞发送信号示意邻近的基因应该失活或沉默。“我们的研究结果强调了，组蛋白H3变体之间微小的结构差异会对整个表观遗传景观造成显著的影响，”Couture说。

在细胞分裂前、细胞复制它的遗传物质之时，这种差异尤为重要。当细胞复制它的DNA时，它也必须保留划定基因组活化和失活区域的一些表观遗传标记。事实上，将甲基化标记放置在H3.1上的沉默机器是与复制机器串联在一起运作。“由于H3.3无法携带这种修饰，它存在于活化基因上使得它们逃避沉默。在我们的研究中，我们发现了细胞保护活化基因避免沉默，连续跨代保留这些记忆的一种方式。”

这一研究也暗示了遗传物质的复制机制。“我们发现复制和转录都受到相同的高度保守的组蛋白调控。因此，是我们的染色体调控了这些最基本的遗传物质特性，”Martienssen说。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文索引：

"Selective Methylation of Histone H3 Variant H3.1 Regulates Heterochromatin Replication" appears in Science on March 14, 2014. The authors are: Yannick Jacob, Elisa Bergamin, Mark T. A. Donoghue, Vanessa Mongeon, Chantal LeBlanc, Philipp Voigt, Charles J. Underwood, Joseph S. Brunzelle, Scott D. Michaels, Danny Reinberg, Jean-François Couture, Robert A. Martienssen.