Cell頭條：超越DNA的遺傳與編程
日期：2013-05-13 09:13:24
來自猶他大學Huntsman癌癥研究所（HCI）的研究人員在新研究中發現，父源基因在受精之時已預編程至胚胎所需狀態，而母源基因則處于另一種狀態，還必須進行重編程才能與之相匹配。這一研究發現對于發育生物學和癌癥生物學均具有極其重要的意義。研究論文發表在5月9日的《細胞》（Cell）雜志上。
在最早期階段，胚胎細胞具有形成所有細胞類型的潛力，這被稱之為全能性（totipotency）狀態。隨后，這種全能性通過分化過程而受到限制。因此，隨著細胞繼續分化，它們只會生成可能的細胞亞群類型。
文章的共同作者、Huntsman癌癥研究所基礎科學高級主管Bradley R. Cairns 說：“在癌癥中，細胞分化和生長的正常過程出現錯誤，細胞要么停滯在分化早期，要么倒退并‘重編程’為更像早期胚胎細胞。通過了解細胞正常編程至全能狀態的機制，以及它們從全能狀態發育為特異細胞類型的機制，我們希望更好地了解癌細胞是如何錯誤調控這一過程的，并利用這一知識幫助我們制定出策略，來逆轉這一過程。”
Cairns實驗室早先的研究證實，存在于父親精子細胞中，對于引導胚胎早期發育至關重要的大部分基因都已經處于‘預備’狀態：盡管基因被關閉，但通過附加表觀遺傳標記可輕易地使基因激活。Cairns說：“從機制上來說，就是所有早期發育的重要決策基因都已做好了準備。這種預備狀態在如皮膚細胞等完全分化的細胞中則從未見到過。”
在當前的研究中，Cairns實驗室研究人員利用高通量基因測序，全面且精確地分析了斑馬魚基因組的DNA甲基化模式。斑馬魚是一種發育及癌癥生物學常用實驗室模型。他們對卵細胞、精子細胞和胚胎發育的4個階段，其中包括受精和胚胎基因組活化中間的3個階段，以及胚胎基因組活化后的1個階段進行了檢測。甲基化是指將甲基基團選擇性添加到DNA的某些區域，從而關閉這些區域中的基因活性的一個過程，它是基因預備狀態的一個重要標記；預備基因不發生DNA甲基化，從而使得基因能夠在胚胎發育后期活化。
Cairns研究小組發現，即將分化的胚胎期甲基化模式與精子細胞一致。與之相反，卵細胞的模式最初是完全不同的，但經過一組驚人的改變后，變得與精子DNA的模式完全匹配。Cairns的研究工作表明卵細胞DNA經過這一廣泛的重編程，才為分化過程做好準備。
Cairns 說：“母源基因在經歷DNA甲基化重編程后，成為了決定胚胎發育最重要的位點。例如，許多的hox基因決定了身體圖式（body plan）以及造血過程中的細胞分化，它們在母源遺傳物質中甲基化，在父源遺傳物質中去甲基化，并且都存在于胚胎中。”
他認為這項研究工作還提供了另一個有趣的研究發現。“我們發現無需用父親基因組作為模板，母親基因組可對自身進行重塑。”Cairns的實驗證實，當父親的遺傳物質被除去之時，目前的基因組仍然能將自身重塑至正確狀態。
Cairns 說：“從根本上說，我們一直試圖了解單個細胞做出決定生成任何一種細胞類型的機制。它是一個令人著迷的基礎生物學問題，對于發育的所有方面，以及如癌癥等疾病的許多方面都具有重要意義。”
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