Cell重要論文：解密第六種堿基

日期：2013-02-06 09:12:00

人體的幾乎每個細胞都攜帶著一份完整的人類基因組。那么人類眼中的感光細胞為何會與心臟或脾臟的細胞如此的不同？

答案當然是因為每種細胞類型只選擇性表達了一套獨特的基因，而主動沉默了與它的功能無關的基因。科學家們很早以前就知道，那樣的基因沉默是借助于對DNA堿基胞嘧啶的化學修飾，生成稱作5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine ,5mC）的一種“表觀遺傳”標記而實現。這一標記適當分布不僅對于胚胎發育，且對于許多正常的生物學過程均至關重要。相反，它的錯誤分布會促成廣泛的癌癥進化。

然而5mC并非是基因組上唯一的表觀遺傳標記。3年前任職于洛克菲勒大學、現為牛津大學研究人員的Skirmantas Kriaucionis和洛克菲勒大學的Nathaniel Heintz，發現了胞嘧啶的第二種修飾，將其轉變為了5-羥甲基胞嘧啶（5-hydroxymethylcytosine，5hmC），這似乎在基因組的選擇性表達中起著同樣重要的作用。從那時起，研究人員便對基因組第六堿基：5hmC投入了廣泛的關注，爭相想弄清它的確切作用。

在近期的《細胞》（Cell）雜志上，Heintz、Kriaucionis和同事們報告稱，5hmC標記對于基因表達的影響與5mC相反，并在小鼠的健康腦細胞中鑒別了5hmC信號檢測及廣泛解讀的機制。眾所周知，廣泛的腫瘤細胞中都存在5hmC分布改變，這些研究發現可能對于癌癥研究具有重要的價值。

首先，研究小組繪制出了三種類型的健康小鼠神經細胞基因組中5hmC確切位置圖譜。他們發現在細胞核中，帶有5hmC標記的DNA松散地環繞著蛋白質支架。5mC信號則主要定位在更致密包裝、不易接近的DNA鏈上。而大部分的基因表達均發生在松散包裝的DNA上。

與此相一致的是，研究人員發現5hmC標記散布在基因高水平表達的基因組區域。與其他研究相符的是，他們發現5mC主要定位在沉默的基因組CpG島上。

當研究人員對DNA序列進行更密切觀測時，進一步發現5hmC主要定位在基因主體（gene body）即基因編碼蛋白質的部分，而不在啟動子及增強子序列中。這令他們感到非常驚訝，因為人們預計，基因的“on”開關應該定位在啟動子和增強子這樣的序列中。“事實上，我們知道在胚胎干細胞中5hmC定位在這些序列中。很容易看到增強子或啟動子區域修飾可能會影響基因表達。但卻并不是很清楚定位在基因主體上的這一標記能夠對基因激活產生如此顯著影響的機制。”Kriaucionis說。

Kriaucionis和Nathaniel Heintz研究小組的同事們還發現，在5hmC常見的區域5mC水平較低，反之亦然。此外，在每個細胞中兩個標記物的模式和比值，高度表達的基因均存在顯著差異。這表明每種細胞預先存在的獨特分子信號，對于決定5hmC在整個基因組中的確切定位極其重要。這些信號改變有可能在癌癥等疾病的發生中發揮了作用。

接下來，研究人員試圖確定5hmc信號的讀取機制。Kriaucionis 說：“我們必須了解5hmC在正常細胞中的作用。這將有助于我們追蹤疾病中基因錯誤表達的過程。”研究人員發現，一種稱作甲基化CpG結合蛋白2 (MeCP2)的分子，在他們研究的細胞中既結合了5mC，也結合了5hmC。眾所周知，這一蛋白突變會促成Rett綜合征。Rett綜合征是一種發育障礙疾病，其病情取決于MeCP2的精確改變。最重要的一種MeCP2突變蛋白能夠結合5mC，但卻不能結合5hmC。這種突變已知會導致Rett患者出現較輕的認知和言語缺陷。

最后，研究人員證實MeCP2結合5hmC，可使得DNA更易于接近解碼遺傳信息的分子機器，從而驅動基因表達，而與5mC結合則會產生相反的效應。盡管當前側重研究的是健康小鼠神經組織，闡明5hmC在基因組表達中復雜的作用有可能對癌癥研究很有價值。其他的研究人員曾證實，在一些癌癥，包括急性髓系白血病和血液疾病骨髓增生異常綜合征中，5hmC高度耗竭。這種耗竭伴隨著腫瘤抑制基因TET2的破壞。TET2負責編碼一種蛋白生成DNA上的5hmC信號。