标记的生命:基因沉默与组蛋白修饰
3月16日发表在《科学》(Science)杂志上的三篇论文回答了一个关于发育生物学中一个基本问题的长达数十年的争论:注定要形成一个特定组织或结构的细胞如何记住它们应该是什么?
随着多细胞生物的发展，它们的细胞变得越来越专门化。因为每个细胞都携带相同的基因，这种专门化需要在开启某些基因的同时关闭其他基因，使得每个细胞产生特定的组织，如皮肤、肌肉、肠道或大脑。重要的是，一旦细胞决定表达哪些基因，它们所有的后代必须记住相同的特殊组合。这种控制相同基因如何以不同方式使用的信息叠加被称为表观遗传学，它的故障可能导致从出生缺陷到癌症的一切。
这三篇论文都探讨了细胞如何保持这种表观遗传记忆的问题。这个问题已经被一些必须保留的基因回答了。这些基因制造蛋白质来控制它们自己的表达，细胞将这些调节因子传递给它们的子代，告诉基因继续存在。然而,说加里Struhl，哥伦比亚大学遗传学与发育教授，博士，“很难解释细胞是如何记住不让基因进入的，因为沉默基因不会产生可以传递给它们的女儿的蛋白质。”因此，生物学家们就基因是如何在表观遗传学上沉默的问题争论了30多年。
一个阵营认为，每一个基因都是由它自己的特殊的调节蛋白网络沉默的，这些蛋白质由其他基因产生，并由它们的后代继承。斯特鲁尔博士称这种模式为“智能”模式，但他指出，这种模式实际上可能没有那么聪明，因为每个沉默的基因都需要自己的调控回路。然而，另一些人提出了一种“哑”系统，它将一个通用的化学标签附加到本应远离的基因上，然后在每次细胞分裂时连同DNA一起复制这个标签。在这种情况下，不需要特殊的电路——只需要最初标记基因，然后无意识地将标记从一个细胞遗传到下一个细胞的能力。
后一种观点随着一种酶的发现而得到了推动，这种酶可以将甲基基团附着在组蛋白上，组蛋白包裹着DNA并将其包装成染色体。事实上，许多研究表明沉默基因通常被组蛋白包裹，组蛋白具有两种特定的甲基化标记。然而，智能静音机制的支持者认为，这种相关性并不能证明因果关系。相反，这些标记的存在可能仅仅反映了基因的沉默状态，这种沉默状态是由其他一些更基本的过程遗传的。到目前为止，明显缺乏证据来反驳这一论点。
新研究中,一个来自斯特鲁尔博士的小组还有两个来自独立实验室马克斯·普朗克生物化学研究所在德国和哈佛医学院，现在提供的证据表明，这些特殊甲基化组蛋白的遗传可以携带沉默状态的记忆。
这个证据是经过了很长时间才发现的，因为斯特鲁尔博士大约40年前就开始了他的论文工作，当时他发现了一种基因编码，即我们现在所知的Polycomb压抑复合体2 (PRC2)的第一个成分。PRC2是催化与基因沉默相关的两种甲基化标记之一的酶。通过对该基因进行突变，斯特鲁尔博士证明了PRC2是一种被称为HOX基因的特殊主调控基因的表观遗传沉默所必需的，HOX基因控制着果蝇的发育命运果蝇．从那时起，PRC2已被证明对整个动物王国(包括人类)的HOX和其他主控制基因的表观遗传沉默至关重要。然而，PRC2活性如何维持这种表观遗传记忆的问题仍然没有答案。
尽管斯特鲁尔博士随后的研究转向了组织细胞模式和器官生长的分泌因子的研究，但随着新发现和更有力的实验方法的出现，他周期性地回到基因是如何遗传沉默的问题上。其中一个发现是，HOX基因携带被称为Polycomb Response element (PREs)的顺式作用DNA元件，它招募PRC2，对表观遗传沉默同样重要。第二个发现是，甲基化的亲代组蛋白在DNA复制过程中继承，作为触发器，诱导PRC2将标记复制到新加入的组蛋白上。
这些发现提出了两个关键问题。首先，pre是否只需要启动甲基化关闭状态，然后通过PRC2结合和复制标记的能力从一代传播到下一代?或者，在每个复制周期之后，必须将PRC2招募到PREs来恢复标记吗?第二个，也是更基本的问题是，复制机制是否正确，如果正确，传输和复制标记的能力是否携带了沉默状态的记忆?
为了回答这些问题，斯特鲁尔博士使用了他开发的一种分子设备——折叠卡带，它可以让研究人员在任何时候从苍蝇的基因组中移除一个确定的DNA片段。然后，他创造了一个带有PRE的HOX基因，在一个Flp-out盒式磁带中，并询问移除PRE盒式磁带是否会导致关闭状态的丢失。使用这种方法，他发现PRE确实是持续需要的，但令人惊讶的是，删除PRE后的记忆损失并不是立即的。相反，在沉默消失之前，细胞可能会经历几轮细胞分裂，这增加了PRC2可能在没有PRE锚定的情况下，传播多个分裂周期的关闭状态的可能性。它还没有解决甲基化标记本身的遗传是否对沉默状态的记忆负责。
大约在这个时候，研究生罗里·科尔曼(Rory Coleman)加入了斯特鲁尔的研究，探索表观遗传沉默的分子基础。在第一组实验中，他们询问去除PRE后甲基化组蛋白发生了什么，发现甲基化组蛋白的百分比在每一轮细胞分裂后会被稀释10%到12%。这一结果与DNA复制正常情况下将甲基化组蛋白稀释50%的模型一致，而锚定在PRE上的PRC2有效地将标记从亲代复制到新加入的组蛋白，将其恢复到100%的水平。与此同时，研究还表明，残留的“游离”PRC2可以复制标记，但不足以将其恢复到100%的水平，这就解释了为什么在多次细胞分裂后沉默最终会消失。
然后，他们进行了第二组实验，在去除PRE后阻断了细胞分裂，发现这样做永久性地阻止了甲基化组蛋白的进一步稀释。这一结果证实PRE锚定的PRC2活性是在复制过程中稀释甲基化组蛋白后，特别需要恢复其全部数量。最后，也是最关键的，他们操纵了PRC2复制PRE切除后甲基化标记的能力，并证明了恢复标记的能力和记忆沉默状态的能力之间的因果关系。
综上所述，这些发现建立了一个先例，即在复制过程中遗传的组蛋白标签可以传播基因表达的永久状态。因此，它解决了组蛋白修饰作为表观遗传记忆载体所提出的作用的核心挑战。
马克斯普朗克研究所(Max Planck Institute)的研究人员对果蝇进行了不同的功能和分子检测，从而得出了相同的结论，同时对PRC2能够在多大程度上自行传播组蛋白甲基化标记提出了进一步的问题。哈佛大学的研究小组在酵母中获得了相同的发现，他们专注于与遗传基因沉默相关的其他组蛋白标签，并探索复制该标记的酶复合物的锚定需求。