Science重要成果：從表觀遺傳入手編程細胞的記憶

日期：2016-03-16 08:54:16

如果我們可以編程活細胞，讓其做我們想要它們在體內完成的工作將會怎樣？擁有這樣的控制權是合成生物學的一個主要目標（Nature methods：合成生物學），其將幫助開發出一些細胞療法，在某一天有可能替代傳統藥物來治療諸如癌癥等疾病。為了達到這個長遠的目標，科學家們必須首先學會編程細胞所做的許多重要事情，例如彼此通訊，改變它們的命運成為特異的細胞類型，記住它們遭遇的化學信號等。

現在，由加州理工學院（Caltech）生物學家Michael Elowitz領導的一個研究小組（Science揭示免疫細胞生成的秘密），朝著利用細胞自然進化出的工具來重編程那樣的細胞記憶邁出了重要的一步。通過結合合成生物學方法及追蹤個別細胞行為的時間推移攝影術，他們確定了4種染色質調控因子建立及控制了細胞維持一種基因表達特殊狀態——記住它的能力，甚至在建立這種狀態的信號消失后。

研究人員將他們的研究結果發布在2月12日的《科學》（Science）雜志上。

Caltech 生物學和生物工程學教授、霍華德休斯醫學研究所（HHMI）研究員Elowitz說：“我們對一些最重要的染色質調控因子進行了測試，不僅了解了自然狀況下利用它們的機制，還知道了每一個提供的特殊能力。我們正在擺弄它們以了解可以讓它們為我們做什么。”

并非靠單個蛋白來編程所有的基因表達“記憶”，動物細胞利用了成百上千不同的染色質調控因子（Cell：染色質調控因子組合圖譜）。這些蛋白每個基本上都是在做相同的事情——它們修飾DNA區域來改變基因表達。這提出了一個問題：為什么細胞需要所有這些不同的染色質調控因子？是這一系統中構建了大量冗余，還是每個調控因子實際上都在做獨特的事情。如果是后者的話，合成生物學家想知道如何能夠最好地利用這些調控因子來作為工具，如何選擇理想的蛋白獲得某種效應或一種特殊的細胞記憶。

為了尋找答案，研究人員轉而借助了Elowitz稱作為“構建起來獲得了解”的一種方法。并沒有從復雜的過程入手，而是嘗試拆散了它的組件，研究人員由下而上構建出了目標生物學系統，為他們提供了一個機會真實地觀察伴隨他們誘導的每種改變發生了什么。

在這種情況下，是將不同的染色質調控因子——4種基因沉默蛋白放到了一段特殊DNA上，觀察每一個的表現。為此，研究人員改造了細胞使得添加一種小分子可導致一個基因沉默調控因子結合熒光蛋白編碼基因附近的DNA。通過追蹤個別細胞中的熒光，研究人員可以很容易地確定這一調控因子是否關閉了該基因。研究人員還可以從DNA上釋放這一調控因子，看看基因記住其效應的時間長短。

盡管有成百上千的染色質調控因子，它們可以被分為十多個更廣泛的類型。在這項研究中，研究人員測試了4種生物化學各異類型的調控因子。

Lacramioara Bintu說：“我們進行了各種嘗試，看不同的調控因子是否會賦予不同類型的行為。結果表明它們確是如此。”

在一個月的時間里，研究人員利用顯微鏡或流式細胞儀觀察了活細胞，利用細胞追蹤軟件和時間推移攝像觀察了個別細胞的生長和分裂。在某些情況下，當釋放一個調控因子后，細胞和它們的子細胞會數天保持黑暗，然后再發光，表明它們短暫地記住了這種修飾。在另外一些情況下，細胞不再發光，表明有更持久的記憶。

修飾后的基因總是處于三種狀態其中的一種——“醒著”并積極地合成蛋白，“睡著”、不活化但能夠在幾天內醒來，或是“陷入昏迷”在30天內無法醒來。在單個細胞中，基因總是處于完全開啟或關閉狀態。

這使得研究人員獲得了驚人的發現：調控因子控制的并非是單個細胞中一種特殊基因的表達水平或程度，而是在群體中有多少細胞基因開啟或關閉。

Elowitz說：“你控制的是打開或關閉某事物的概率。我們認為這對于多細胞生物非常有用——在許多情況下，生物體或許想告訴細胞，‘我只是想30%的細胞分化。不需要所有細胞來做這件事。這一染色質調控系統看起來為這樣的命令做好了準備。’”

此外，研究人員發現， 4種染色質調控因子每個給予的記憶類型都是不同的。“一個生成了持久的記憶，在整30天內關閉了基因，讓部分細胞陷入昏迷。一個生成了短期的記憶，細胞很快就醒來。Bintu說：“我們發現真正有趣的事情是，一些調控因子提供了混雜的記憶：某些細胞醒著而一部分的細胞仍然陷入深度昏迷。多少細胞陷入昏迷取決于你提供信號的時間——即染色質調控因子附著的時間。”

未來，該研究小組計劃以相同的方式研究其他的染色質調控因子，更好地了解細胞利用它們的許多方式，及它們有可能組合發揮作用的機制。從長遠來看，他們想將這些蛋白與其他細胞元件放到一起，開始在合成回路中編程更復雜的發育行為。

Elowitz說：“這是朝著時間可編程細胞療法這一遠景邁出的一步。但我們也在解答更多基礎的問題。我們看到了一個硬幣的兩名。在我們了解核心信號通路提供的功能之前我們將無法有效地編程細胞。”