解答癌症研究谜题:细胞在没有高能量来源的情况下如何转录基因?

【字体: 时间:2021年12月06日 来源:University of North Carolina Health Care

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  这项新的研究对癌症研究有着重要的意义,因为它解释了细胞在没有高能量来源的情况下如何转录基因这一悖论的一部分,这种情况在癌症中不断出现,多年来一直困扰着研究者。

  

这项发表在《基因与发展》(Genes & Development)杂志上的研究对癌症研究具有意义,因为它解释了细胞如何在没有高能源的情况下转录基因的部分悖论。癌症研究中出现了这种情况,多年来一直困扰着研究人员。

在细胞有大量能量的情况下,生物体产生高能分子,为细胞的生长和分裂提供燃料。事实上,癌细胞的一个特性是能够获取大量的糖来为癌细胞生长提供养分。相反,当细胞耗尽这些“首选”能量来源时,它们会转向其他方式(或新陈代谢系统)来创造能量以维持生命。与节食的情况一样,细胞会在禁食时分解脂肪。细胞能够很好地应对不断变化的营养环境。

“但是细胞如何适应这些变化,并启动其特殊的基因表达程序,以处理细胞在营养流动下创造的新工作,这是该领域的一大谜题,”该论文的资深作者、北卡罗莱纳大学教堂山分校的奥利弗史密斯研究员斯特拉说。为了研究细胞是如何做到这一点的,斯特拉尔的实验室应用了一种专门的实验室系统,让他们在一个可以精确控制可用能量来源的室内培育一种天然酵母。通过这样做,他们能够迫使酵母经历一波又一波的盛宴和饥荒,这是他们很容易研究的。一波又一波的盛宴和饥馑导致了一波又一波的代谢变化,这使得研究人员能够在基因水平上检查发生了什么细节。

所有的细胞都有相同的遗传信息或生命蓝图,但以不同的方式利用这些信息来创造特定的功能——例如,创造不同的细胞类型或组织——甚至处理环境的变化,如能量流。几十年的研究表明,不同的基因在基因组蓝图中被激活的方式是通过在包裹我们DNA的组蛋白上添加少量化学物质(或分子标记)。这些化学信号或标记有助于推动DNA“打开”,开启或关闭某个基因。然而,营养成分的变化是如何有效地“说话”到基因组来指导基因表达的变化,人们还不太了解。

利用酵母作为模型,斯特拉尔实验室研究生张继波(Jibo Zhang)领导的实验表明,在高能量的时间下,新陈代谢的副产品有助于提高组蛋白上的一个分子标签的水平。这个过程叫做乙酰化。在此过程中,研究人员发现,在一种蛋白质中,一个新发现的区域可以调节一个名为Yaf9的基因的表达,它可以结合这种标签,并带来许多创造基因表达的机制。然而,在禁食期间,情况变得大不相同。组蛋白上的高能量标签被拿走,从而为细胞创造急需的能量。

但张也发现,招亚夫9号的人也不见了。虽然这种损失通常被认为是关闭基因,但张发现,这些时间实际上是驱动基因表达的酶的高水平。因此,细胞找到了一种在低营养条件下仍然使基因表达发生的方法,以解决基因表达的需要,而不需要高能量组蛋白标签。

这表明细胞已经进化出一种方法来确保基因表达在任何时候都是有效的。

“我们认为,在两种营养状态(高和低)之间发现的标签类型的独特差异,实际上可能是一种特殊类型的信号,确保基因表达程序在两种情况下仍然有效,”该论文的第一作者张说。

这项工作对正常的人类生物学和疾病(如癌症)具有重要意义。众所周知,癌细胞需要高能量糖来维持其生长和分裂。大部分癌症的生长是由新陈代谢驱动的。

斯特拉实验室的这项工作为基因表达在高能量条件下发生的过程提供了新的见解,这可能会开辟新的治疗靶点和干扰癌症生长的方法。


Journal Reference:

  1. Jibo Zhang, Aakanksha Gundu, Brian D. Strahl. Recognition of acetylated histone by Yaf9 regulates metabolic cycling of transcription initiation and chromatin regulatory factors. Genes & Development, 2021; DOI: 10.1101/gad.348904.121

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