Nature改变教科书的新发现：表观遗传的“红绿灯”如何控制基因活动

发表在《自然》杂志上的一项重大新研究揭示了一种控制细胞内遗传活动的“红绿灯”机制，这种系统可能被已经在开发中的抗癌药物靶向。这项研究描述了DNA结构的“表观遗传”变化如何作为决定是否应该读取基因的“停-行”信号。与我们的基因组成不同，表观遗传学的世界在很大程度上仍未被探索，被称为基因组的“暗物质”。

　　

发表在《自然》杂志上的一项重要新研究揭示了一种控制细胞内遗传活动的“红绿灯”机制，这种系统可能成为已经在开发的癌症药物靶标。

这项研究描述了DNA结构的“表观遗传”变化如何决定是否应该读取一个基因时充当停止信号。

与我们的基因组成不同，表观遗传学的世界在很大程度上仍未被探索，被称为基因组的“暗物质”。

但是新的发现回答了一个长期存在的基本问题——表观遗传蛋白质如何调节转录和基因表达过程，通过转录和基因表达，我们的基因被读取并翻译成蛋白质。

伦敦癌症研究所的科学家3月2日揭示了一种被称为H3K4me3的关键表观遗传信号，如何决定在我们细胞内的DNA何时以及如何被读取并翻译成蛋白质。

研究表明，H3K4me3确保基因在正确的时间以受控的方式被转录和激活，就像在繁忙的道路上调节汽车流量的红绿灯。了解它如何在正常细胞中发挥作用，也可以为癌症的发展以及基因活性调节的破坏所起的作用提供新的线索。

20多年前，人们就已经知道，将H3K4me3(一种添加到DNA上的化学标签)放置在DNA上的酶对正常细胞发育至关重要，也与白血病、乳腺癌、肠癌和胰腺癌有关。但是，尽管进行了多年的研究，科学家们直到现在还不了解这种化学标签的作用。

研究人员称，这项新的“教科书式的发现”改变了我们对以下问题的理解:

• 表观遗传蛋白如何帮助调节细胞发育并参与癌症

• 基因表达的过程，也就是将DNA解码为我们身体所使用的功能蛋白质，是如何被调节的

• 阻断表观遗传蛋白如何影响正常细胞和癌细胞。

研究人员长期的目标是，这一新的认识可能会导致一种新的癌症治疗方法，以表观遗传“红绿灯”为靶标，阻止可能引发癌症的基因活动。

这项研究是由癌症研究所(ICR)和纪念斯隆凯特琳癌症中心资助的。

表观遗传学影响基因的活性或表达，而不改变潜在的遗传密码——例如，通过添加或删除化学标记或对DNA或DNA包裹的蛋白质进行修饰（称为组蛋白）。化学修饰，如H3K4me3可以打开或关闭基因，并且经常在癌症中发生改变。

通过在实验室中使用小鼠干细胞和复杂的遗传和生化实验，研究人员发现H3K4me3修饰对于调节我们基因的表达方式和时间至关重要。

研究小组发现，H3K4me3就像繁忙十字路口的红绿灯。通过调节RNA聚合酶II(一种读取和解码DNA的蛋白质复合物)的流动，H3K4me3决定了基因表达应该何时开始以及它运行的速度。

当它显示出绿灯时，H3K4me3允许RNA聚合酶II沿着DNA移动，并在移动时将其转录成RNA。但是如果没有H3K4me3, RNA聚合酶II就会卡在DNA上的特定点上，造成转录的停滞和减缓。

先前的研究结果表明，破坏或改变细胞中的H3K4me3水平对癌症的发展非常重要，并影响对治疗的反应。

研究负责人、伦敦癌症研究所首席执行官、肿瘤学界的“大咖”Kristian Helin教授说:

“我们的研究为表观遗传学提供了一个基本的新认识，这是一个非常令人兴奋的，但在很大程度上仍未得到充分探索的癌症研究领域。我们通过发现一种众所周知的表观遗传修饰如何控制基因表达，解决了一个长达20年的难题。由于决定细胞中H3K4me3水平的酶在癌症中经常被发现突变，我们的研究可能对理解和治疗癌症具有意义。”

“这就是我所说的‘教科书式的’科学，包括我自己在内的许多科学家都渴望解决基本问题，这样我们的发现就能进入教科书。即使是对病人最尖端的治疗方法也是建立在像这项研究这样的基础科学发现的基础上的。只有对基因和细胞如何工作，以及它们可能出现的问题有了基本的了解，我们才能创造出未来的癌症治疗方法。”

针对这些“红绿灯”或表观遗传修饰的药物，如H3K4me3，已经在开发中，有可能有一天它们会成为治疗癌症患者的有效方法。“这是癌症研究的一个令人兴奋的新途径，我们相信我们的发现将为更有效地开发这些表观遗传药物铺平道路。”

文章标题

H3K4me3 regulates RNA polymerase II promoter-proximal pause-release