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技术指南:高通量表观遗传学分析

【字体: www.ebiotrade.com 时间:2018年1月4日 来源:生物通

摘要:

  幸运的是,科学家们发现了越来越多表观遗传学的分子机制,这其中部分归功于技术的发展,全基因组测序技术能帮助研究人员绘制了整个基因组中出现的表观遗传变化,而高通量方法如液相色谱和质谱,也可以同时追踪数百种代谢物的变化。

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  生物通报道:“钉”在DNA或组蛋白上的化学基团具有重要的意义,能调节基因表达的方式和时间。研究发现环境信号可以改变这些表观遗传标记的位置,但是目前研究人员难以确定饮食,炎症或社会压力等现象是如何转化为调节基因功能的信号的。

经过几十年的研究,科学家们已经发现某些新陈代谢如何产生表观遗传效应,例如,在糖或蛋白质消化过程中形成的分解产物可以转化为化学标记,表观遗传修饰DNA或组蛋白。但是,即使是将葡萄糖转化为细胞燃料这样基础性的过程,也可以通过不同的途径发生,这些途径会基于细胞的直接环境和状态而发生动态变化。因此,癌细胞和健康人细胞可能会以不同的方式消化糖,从而出现不同的代谢物,制造出的表观遗传标记也不同。

了解哪些代谢物可以调控基因功能,以及是否通过表观遗传方式,与转录因子还是其他途径结合,这些都是研发更好药物的关键所在。

幸运的是,近期研究人员发现了代谢如何改变表观遗传学的机制,这其中部分归功于技术的发展,全基因组测序技术帮助研究人员绘制了整个基因组中出现的表观遗传变化,而高通量方法如液相色谱和质谱,也可以同时追踪数百种代谢物的变化。

此外,最近的研究也揭示了异常代谢与癌细胞表观遗传变化之间的联系,由此科学家们开始分析代谢变化是否会推动表观遗传变化。来自杜克大学的癌症研究专家Jason Locasale说:“这两个领域此前一直都是分开研究的。在过去的十年中,癌细胞和发育生物学中观察到的不同代谢变化融合在一起,导致了这些新研究的出现。”

The Scientist介绍了多项相关的研究和技术,希望能帮助大家了解目前这一领域的进展。

T细胞切换

研究者:李铭(Ming Li),纪念斯隆-凯特琳癌症中心的免疫学家 (延伸阅读:专访李铭:在未知世界中徜徉探索

研究项目:糖如何调控T细胞激活


首先形成胰腺肿瘤的细胞(左图)显示出高水平的组蛋白甲基化(红色)。转移到远端(如肝脏)癌细胞中的甲基化会丢失(右图)

问题:细胞通常在含氧的情况下将糖消化分解成二氧化碳和水。但是癌细胞和活化的T细胞是通过不同的途径输出葡萄糖的,其中一种途径是有氧糖酵解,葡萄糖被转化为3-碳酸乳酸酯分子,后者一般是在厌氧过程中产生(即使有氧气存在)。尽管这种消化过程是活化T细胞的标志,而且会影响促炎基因的表达,但是科学家们至今并不清楚,为何细胞会采用这种代谢途径。

为此,李铭等人构建了一个乳酸脱氢酶A(LDHA)缺陷的T细胞小鼠系,LDHA催化了有氧糖酵解的关键步骤之一。结果他们发现,突变的辅助性T细胞比野生型细胞所消耗的葡萄糖少大约70%,并且表达的干扰素γ(IFNγ)水平也低。此前这一组研究人员曾报道,阻断有氧糖酵解能增加另一种酶与IFNγ mRNA转录物 3'非翻译区(UTR)的结合,从而降低了这种基因的翻译。但是当李铭研究组删除了3'UTR的时候,抑制有氧糖酵解仍然降低了IFNγ的表达。也就是说LDHA在翻译阶段没有发挥作用,而是促进了基因的转录。

为了寻找基因表达和糖代谢之间的其它联系,研究人员利用染色质免疫沉淀(ChIP-Seq),发现野生型和LDHA敲除细胞具有不同的组蛋白乙酰化和基因表达模式(组蛋白乙酰化通过令DNA更接近转录因子,从而促进基因表达)。在敲除小鼠中,86%的下调基因(包括IFNγ)都出现了组蛋白乙酰化减少。当LDHA诱导有氧糖酵解能量产生时,线粒体(促进细胞活性的细胞器)就会控制呼吸,产生乙酰辅酶A,乙酰辅酶A是乙酰化组蛋白所需的辅助因子。这样细胞就能恢复组蛋白乙酰化和IFNγ表达,说明有氧糖酵解是通过表观遗传机制来控制干扰素表达的(Science,354:481-84,2016)。

目前这一研究团队正在寻找其他具有类似调控机制的炎症细胞因子。李铭说:“IFNγ是用于区分表观遗传学基因调控和翻译机制的一个准确模型。

方法技巧:如果需要阐明代谢物在表观遗传效应中的作用,可以寻找DNA甲基化或组蛋白乙酰化等特殊变化,然后再寻找产生这些标记可能所需要的成分的代谢途径。

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