Nature綜述：中國學者解析干細胞表觀調控

日期：2012-07-25 08:21:07

來自美國索爾科生物學研究所，中科院生物物理研究所的研究人員發表了題為“Navigating the epigenetic landscape of pluripotent stem cells”的綜述文章，針對干細胞多能性的表觀遺傳調控機制進行了概括闡述，并展望了未來這一領域的發展方向。相關成果公布在Nature Review Molecular Cell Biology雜志上。

Nature Review Molecular Cell Biology雜志是Nature系列綜述期刊之一，最新影響因子為39.123，主要發表本領域具有前瞻性，影響力的重要綜述文章。最新這篇文章的第一作者分別為生物物理研究所劉光慧研究員，以及索爾科生物學研究所的李默（Mo Li，音譯）。

表觀遺傳調控，尤其是細胞核內染色體高級組織形式，是目前干細胞研究領域的前沿和熱點問題。包括胚胎干細胞和誘導干細胞在內的多能干細胞能利用遺傳學和表觀遺傳學的一種復雜網絡，來維持自我更新和多向分化之間的精密平衡。

近期高通量基因組研究工具的發展，極大的促進了多能干細胞表觀遺傳調控這一研究領域，不斷有證據表明一些表觀遺傳途徑，比如DNA，組蛋白和核小體的修飾，存在廣泛的串擾。而且一些新型繪圖工具（繪制染色體結構和染色體-核基質相互作用的圖譜）也首次描繪出了基因組的三維結構，以及一種將已有表觀調控基因組數據整合在一起的框架，從而能發現更多關于基因調控的新機制。

研究人員從DNA甲基化、組蛋白修飾、核小體組裝、染色體高級結構、染色體同核膜相互作用等水平系統闡述了表觀遺傳調節多能干細胞“干性（stemness）”的分子機制，并對其人類疾病相關性和該領域的發展趨勢進行了探討和展望。

劉光慧研究員曾最早利用兒童早衰癥（progeria）誘導型多能干細胞（iPSC）模型研究了核膜對染色體功能的調控（Liu et al. Nature 2011），并利用第三代腺病毒載體介導的大片段DNA同源重組技術靶向矯正了兒童早衰癥iPSC中存在的LMNA點突變，從而逆轉了加速衰老的病理表型（Liu et al. Cell Stem Cell 2011）。

新型繪圖工具

來自賓州大學首席研究員B. Franklin Pugh教授領導的研究組利用了一種稱為核酸外切酶的工具，來去除未有基因調控蛋白結合的DNA序列，從而確定具體的核苷酸序列。

利用這種工具，研究人員能準確了解這些蛋白的位置，并且這種方法還有可能在蛋白調控，或者未能調控整個基因組的時候，進行高分辨率拍攝，從而有助于科學家們解析這些關鍵的過程。

這種技術就是ChIP-exo，其優于其它技術之處在于其能將結合位點中上百萬，上億的基因組核苷酸，縮小到某個確定的核苷酸，同時ChIP-exo技術還能去除檢測系統中的大量背景，低背景技術能分析更多的結合位點，增加2-5倍，為某種蛋白如何調控基因的，提供更加完整的圖譜，同時還能加大科學家們對于基因組中這些蛋白結構組織的作用，更廣泛的理解。

利用這種技術，研究人員分析了染色質重塑調節因子Isw2的作用機制，真核生物不同于原核生物的一大特點是具有染色質結構，DNA的序列信息被包裹在組蛋白結構中，基因的轉錄激活需要染色質結構的改變，因此染色質重塑在基因表達調控中扮演了重要角色。

染色質重塑復合物具有多個亞基，這項研究繪制了其中之一Isw2在基因組范圍內的組織模式，以及在核小體中的定位情況，從而提出了包含這種亞基在內的染色質重塑復合物的作用新機制。

高通量測序的新發現

來自伊利諾斯大學的研究人員通過一種“比較表觀基因組學”在表觀遺傳學研究方面取得了重要進展。

比較表觀基因組學通過對DNA和組蛋白修飾進行種間對比，對調控基因組進行注釋，基因組包括了生物體的所有基因，而表觀基因組決定哪些基因會表達。基因組學研究長期以來就關注于比較基因組學，通過比較相似物種的基因組尋找其共同特質的調控共性。然而比較基因組學研究能為人們提供更深入的調控功能信息。

研究人員分別在人、小鼠、豬的多功能干細胞中檢測了胞嘧啶甲基化等9個表觀基因組標志在基因組中的分布，分別為這三個物種建立了表觀基因組學圖譜并進行了比較。

結果發現不論是進化快還是進化慢的DNA序列，其表觀基因組的保守性都很強，但中性進化的序列中除外。而表觀基因組和轉錄組的進化改變成線性關系。研究人員人認為不同表觀基因組學標志的保守性能用于發現調控序列。實際上，在胚胎干細胞分化為中內胚層細胞的過程中，研究人員通過七對表觀基因組標志識別了其中的調控功能。研究說明，比較表觀基因組學能揭示單純基因組序列比對不能辨別的基因組調控特性。