表观遗传“淘金热”袭来

2017-04-13 09:14 来源:《中国科学报》 
2017-04-13 09:14:05来源:《中国科学报》作者:责任编辑:白璐

  DNA和RNA再发现改变相关领域

  经过多年在黑暗中的摸索之后,我们突然看到了宽阔的远景。

  图片来源:Illustration by Nik Spencer/Nature

  一些奇思妙想似乎会突然冒出来,不过2008年,Chuan He却有意地寻找这样一个想法。美国国立卫生研究院当时刚刚启动资金支持高风险、高影响项目,伊利诺伊州芝加哥大学化学家He打算申请。不过,他首先需要一个好的领域。

  他一直在研究修复损伤DNA的蛋白家族,他开始怀疑这些酶可能也会对RNA产生作用。运气使然,他遇到了分子生物学家Tao Pan,后者一直在研究出现在RNAs上的叫作“甲基团”的特殊化学标记。两人在芝加哥大学同一所大楼里工作,于是开始频繁会面。通过谈话,他们的“大想法”成形了。

  那时,生物学家正开始对表观遗传——修饰DNA及其蛋白折叠的一系列化学标记——变得兴奋。这些标记发挥着类似化学符号的作用,告诉细胞让哪些基因表达又让哪些基因保持静默。如此,表观遗传有助解释拥有类似DNA的细胞如何发展为大量不同的组织。

  当He和Pan开始一起工作之时,绝大多数表观遗传学研究仍聚焦于DNA及其包括的组蛋白相关的标签。科学家在RNA上鉴定出了100多种不同的化学标记,没人知道它们是做什么的。He当时研究的一些酶会剥落甲基团,He和Pan好奇其中之一是否可在RNA上产生作用。如果该标记可以被逆转,那么它们可能形成了控制基因表达的一种全新方式。2009年,他们得到资助搜寻RNA上的可逆转标记以及清除它们的蛋白。

  9年后,类似研究已经形成自己的领域——表观转录组。He和其他人发现,附着到RNA的4个碱基之一腺嘌呤的一个甲基团在细胞分化中具有重要作用,并可能会导致癌症、肥胖以及更多疾病。2015年,He的实验室和另外两个团队在DNA腺嘌呤碱基上发现了同样的化学标记,表明表观基因组可能比此前想象的更丰富。研究已经启动。“我认为我们正在接近表观遗传学和表观转录组研究的黄金时代。”纽约市威尔康乃尔医学院遗传学家Christopher Mason说,“我们实际上可以看见数十年前就已经知道存在的所有这些修饰。”

  标记信使

  分子生物学的调节规则——中心法则认为,信息会从DNA流向信使RNA(mRNA),之后再流向蛋白。很多科学家因此认为mRNA只不过是一个“通讯员”,将细胞核内编码的遗传信息携带至细胞质内的蛋白工厂。这是为什么很少有研究人员关注mRNA修饰的一个原因。

  不过,这并非什么秘密。推动He走到表观转录组研究前沿的标记于1974年首先在mRNA上被发现。东兰辛密歇根州立大学有机化学家Fritz Rottma和同事写道,RNA甲基化可能是挑选某种转录组转译为蛋白的一种渠道。“但那全都是猜测。”1974年那篇文章的作者、密歇根州立大学遗传学家Karen Friderici说。该团队没有好的方法研究该标记的真正功能。“那是分子生物学的开端。当时我们没有现在可获得的足够工具。”她说。

  30多年后,He和Pan发现相关工具仍旧缺乏。“很难真正研究这些修饰。”Pan说。它需要强大的质谱仪和高通量测序技术。

  当时,He实验室的两名成员Ye Fu和Guifang Jia却千方百计地向前推动,他们聚焦一个叫作FTO的蛋白,这是He的团队曾经研究的甲基剥离酶家族的一部分。两人认为它可能会去除RNA上的甲基团,于是便设法鉴定其目标。Fu和同事开始合成包括不同修饰的RNA片段,以决定FTO是否可以去除它们。这一研究进展缓慢。Fu说,3年的研究中,该团队面临着一系列的失败,“我几乎认为可能永远不会找到该功能”。

  最终,2010年,该团队决定验证FTO在m6A(甲基腺嘌呤)上的活性。该标记消失了。该团队首次表明RNA甲基化是可逆转的,就像那些在DNA和组蛋白上发现的标记一样。对He来说,它似乎是基于RNA的基因调控系统的证据。

  证据积累

  He的团队并非考虑到m6A的唯一团队。2012年,两个独立研究团队发表了m6A出现位点的首批图像。两项研究揭示了约7000个基因mRNA上的超过1.2万个甲基位点。“经过多年在黑暗中的摸索之后,我们突然看到了宽阔的远景。”其中一篇文章作者Dan Dominissini在发表于《科学》的评论中说。

  图像表明,m6A的分布并不是随机的。其位置表明该标记可能在RNA转录物可变剪接中拥有一定角色,这一机制让细胞产生来自单个基因的一个蛋白的多个版本。

  过去数年,研究人员已经鉴定出参与调解这些标记的一些机制。随着这些蛋白身份的显现,每个都需要一个转录器安置它、一个橡皮擦清除它以及一个阅读器解释它,科学家已经了解到m6A不仅会影响RNA拼接,还有转译及其稳定性。

  m6A是否会指引一个细胞产生蛋白还是破坏一个转录物,取决于该标记的位置以及与其结合的阅读器。但以色列特拉维夫大学参与绘制m6A的遗传学家Gideon Rechavi说,了解这一选择如何进行一直是一项重要挑战。

  清楚的是m6A在细胞分化中发挥着重要作用。缺乏该标记的细胞会处于类似干细胞或祖细胞的状态。这可能是致命的,当He与同事让小鼠体内的m6A编写器失去功能后,很多胚胎在子宫内死亡。

  He对m6A可能的角色做了解释。每次一个细胞从一个状态转变为另一个状态时,如分化,其内部的mRNA一定也会改变。这会改变mRNA的内容,He称其为转录开关,它需要精确和仔细的定时。He认为,甲基标记可能是细胞让数千个转录物的行为同步化的一种方式。

  第五碱基

  尽管科学家一直都知道RNA携带了大量装饰其全部4个碱基的修饰,但哺乳动物DNA似乎只有少量标记,且所有都在胞核嘧啶上。哺乳动物中最常见的修饰5-甲基胞嘧啶(5mC)非常重要,它通常被看作A、C、T和G之后的“第五个碱基”。He想知道基因组中是否藏有其他标记。细菌携带着m6A的DNA对等物——N6-甲基腺嘌呤(6mA)。“它们用甲基化区分其自己的DNA和外来DNA。”马萨诸塞州波士顿儿童医院生化学家Eric Greer说。但研究人员很难在更复杂的有机体中确定它的存在。

  2013年,He的博士后Fu和Guan-Zheng Luo决定进一步开展研究,绘制海藻衣藻END中6mA的分布。他们在超过1.4万个基因中发现了它。而且其分布并不是随机的:6mA簇拥在转录物开始的地方。“我们看到周期性的波峰。就像一个波峰连接着一个波峰。”Fu说。他们推理说,它可能在促进基因活化。

  在距离波士顿约2000公里的地方,Greer与同事在秀丽隐杆线虫的基因组中也发现了6mA的存在。此外,其水平似乎在生育力较低的代际中更高。这一结果令人吃惊。研究人员曾在多细胞有机物中寻找6mA,但因为其水平过低而未能发现。

  耶鲁大学表观遗传学家Andrew Xiao读到这篇文章后很兴奋。当年,该团队和英国剑桥大学古尔登研究所的John Gurdon带领的另一个团队发现,6mA在小鼠和人类等多个脊椎物种中拥有极低水平。

  “他的论文绝对是一枚炸弹。”威尔康乃尔医学院研究人员Samie Jaffrey说,“它真正展示了6mA的功能角色。”He和Shi均表示还在哺乳动物细胞内发现了6mA,但尚未发表研究成果。

  Shi表示,目前6mA的重要性尚不清楚。他指出即便用最新的技术,也仅能探测到修饰的边界,而其精确位置却不能绘制出。而且6mA的模式可能会随着组织的不同而改变。仍有很大的问题需要解决。

  在一些研究人员深入研究m6A和6mA的功能时,还有一些人在寻找新的修饰。“我们尚处于这个故事的开端。”Rechavi说。随着技术的提高,科学家将能够更加清晰地看到这些标记。他说,研究可能性的丰富程度让Mason觉得“愉快”。“现在好像是在这一领域工作最激动人心的时刻。” (晋楠编译)

[责任编辑:白璐]

手机光明网

光明网版权所有

光明日报社概况 | 关于光明网 | 报网动态 | 联系我们 | 法律声明 | 光明员工 | 光明网邮箱 | 网站地图

光明网版权所有

立即打开