生命之初,新在哪里:我们为何生而不同

新生命究竟"新"在哪里?经典的遗传学观念认为基因决定表型,但同卵双生的双胞胎基因几乎完全相同,为何依然存在很大差别?越来越多的研究证实,代际间的表观遗传改变决定了我们生而不同。表观遗传学是指独立于DNA序列改变的遗传,主要包含DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA等。本文生动形象地介绍了表观遗传的概念及核心内容,重点描绘了表观遗传修饰(包括DNA甲基化和组蛋白修饰)在早期胚胎发育过程中的动态变化,有助于我们深入理解表观遗传在新生命发生过程中的作用。     

表观遗传学前沿述评

正表观遗传学是细胞调控基因表达的众多方式之一,它研究基因在不改变其遗传密码或DNA序列的情况下开启或关闭的机制。表观遗传学帮助科学家更好地理解复杂多样的生物过程,如细胞分化、基因组印记和X染色体失活,并通过两个机制过程进行操作:组蛋白修饰(如甲基化、乙酰化、泛素化和磷酸化)以及胞嘧啶碱基对的直接甲基化。作为表观遗传学评估和干预的两种新方法,APOBEC偶联表观遗传测序(ACE-seq)和CRISPR具有显著增强表观遗传学研究及其临床应用的潜力。     

全反式维甲酸对SH-SY5Y细胞全基因组启动子区组蛋白H3乙酰化修饰的影响

为研究全反式维甲酸(all-trans retinoic acid, ATRA, 简称RA)诱导人类神经细胞分化的表观遗传调控机制, 应用染色质免疫沉淀与启动子芯片联合技术(ChIP-on-chip), 对RA诱导24 h后神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞中两万余个基因启动子区的组蛋白H3乙酰化修饰状态进行了高通量检测和分析. 首先分别制备RA处理组和对照组的标记探针, 然后将人类基因组启动子芯片与探针进行杂交, 获得RA诱导SH-SY5Y细胞分化早期全基因组启动子区H3组蛋白乙酰化的数据. 结果分析显示, RA处理导致597个基因启动子的乙酰化程度显著升高、647个基因降低. 本研究结果显示上述技术的高效与可行, 并为深入研究RA诱导分化相关基因的表观遗传调控机制奠定了基础.     

维生素C与表观遗传调控

维生素C作为一种人体必需营养物质被人们所熟知.除了作为一种重要的抗氧化剂之外,维生素C在体内还参与了胶原蛋白、儿茶酚胺类物质以及肉毒碱等的合成过程.维生素C的一个主要生理功能是作为体内多种二价铁离子/-酮戊二酸依赖性氧化加氧酶的辅因子,有大量参与表观遗传调控的重要蛋白属于该家族酶类,因此维生素C具有重要的表观遗传调控功能.最近的研究发现,维生素C可以通过表观遗传调控显著提高诱导多能干细胞(iPS细胞)的诱导效率.本文将重点介绍维生素C对与表观遗传修饰有关的双加氧酶类,以及对体细胞重编程的影响,进一步扩宽我们对维生素C在生命活动以及人类健康中所起作用的理解.     

探寻自然的数学定律——弗兰克·维尔切克访谈录

加州理工学院教授、现年58岁的弗兰克·维尔切克(Frank A.Wilczek)和蔼、幽默,被认为是最具智慧的物理学家之一.由于在量子色动力学上的贡献,他和戴维·格罗斯(David J.Gross)、戴维·普利策(H.David Politzer)-并分享了2004年度的诺贝尔物理学奖(那项工作是维尔切克在他21岁时和普林斯顿的格罗斯一起完成的).量子色动力学作为现代物理学理论基石的一部分,在欧洲大型强子对撞机(LHC)重启后不久,<纽约时报>专门采访了维尔切克.     

褐飞虱诱导的水稻RH3基因的克隆及其表达特性

组蛋白H3基因的表达与个体发育、细胞组织特异性以及胁迫反应等相关. 在褐飞虱取食后的水稻cDNA差减文库中筛选到编码水稻组蛋白H3(RH3)的EST(GenBank登录号: BU572343), 以该EST为探针, 从褐飞虱取食后的水稻cDNA文库中分离到RH3基因的全长cDNA. 该基因编码一个含136个氨基酸残基的H3蛋白, 与以前克隆出的一种抗病相关蛋白基因(GenBank登录号: AF467728)只有1个碱基的差异, 蛋白质的氨基酸序列第126位上由赖氨酸取代了天冬氨酸. 应用Northern blot技术, 研究了褐飞虱取食后不同时间段水稻RH3基因的表达水平, 同时分析了植物激素、干旱、盐胁迫及机械损伤等因素对其转录水平的影响. 结果表明, 褐飞虱取食8 h后RH3基因表达开始增强, 96 h后达到峰值. 干旱处理和稻瘟病菌接种能诱导RH3基因的表达增强, 而脱落酸处理则对该基因的表达起负调控作用. 利用RNA原位杂交技术, 对接种褐飞虱48 h后水稻的茎叶切片进行了RH3 mRNA的原位定位. 结果显示, 在褐飞虱取食后, RH3基因的转录本在维管束及短细胞中的积累尤其明显. 水稻组蛋白H3基因的表达与水稻对褐飞虱的应激反应相关.     

转录辅因子CBP/p300提高转录因子C/EBP介导的人白细胞介素5(IL-5)基因启动子活性

IL-5主要由Th2类细胞产生, 在过敏性哮喘等过敏性疾病的发生过程中起着关键的作用. 转录辅因子CBP/p300本身具有组蛋白乙酰转移酶活性, 参与许多基因的转录调控过程. 腺病毒E1A癌蛋白能与CBP/p300蛋白结合并抑制其活性. 我们分析了E1A蛋白在IL-5基因启动子/荧光素酶报告基因表达调控中的作用, 结果表明E1A蛋白能抑制PMA/离子霉素激活和转录因子C/EBPβ介导的IL-5基因启动子/荧光素酶报告基因的活性. 而突变体E1AΔ2-36蛋白因不能与CBP/p300蛋白结合而不能抑制IL-5基因启动子/荧光素酶报告基因的表达. 此结果揭示, 组蛋白乙酰转移酶CBP/p300参与IL-5基因启动子活性的调控. 另外, 转录辅因子CBP/p300和转录因子C/EBPβ可以协同地激活IL-5基因启动子/荧光素酶报告基因的表达. 为进一步研究IL-5基因表达调控的机制奠定了基础.     

褐飞虱诱导的水稻RH3基因的克隆及其表达特性

组蛋白H3基因的表达与个体发育、细胞组织特异性以及胁迫反应等相关. 在褐飞虱取食后的水稻cDNA差减文库中筛选到编码水稻组蛋白H3(RH3)的EST(GenBank登录号: BU572343), 以该EST为探针, 从褐飞虱取食后的水稻cDNA文库中分离到RH3基因的全长cDNA. 该基因编码一个含136个氨基酸残基的H3蛋白, 与以前克隆出的一种抗病相关蛋白基因(GenBank登录号: AF467728)只有1个碱基的差异, 蛋白质的氨基酸序列第126位上由赖氨酸取代了天冬氨酸. 应用Northern blot技术, 研究了褐飞虱取食后不同时间段水稻RH3基因的表达水平, 同时分析了植物激素、干旱、盐胁迫及机械损伤等因素对其转录水平的影响. 结果表明, 褐飞虱取食8 h后RH3基因表达开始增强, 96 h后达到峰值. 干旱处理和稻瘟病菌接种能诱导RH3基因的表达增强, 而脱落酸处理则对该基因的表达起负调控作用. 利用RNA原位杂交技术, 对接种褐飞虱48 h后水稻的茎叶切片进行了RH3 mRNA的原位定位. 结果显示, 在褐飞虱取食后, RH3基因的转录本在维管束及短细胞中的积累尤其明显. 水稻组蛋白H3基因的表达与水稻对褐飞虱的应激反应相关.     

本期专题简介

正近年来随着对遗传信息研究的深入,人们发现现代生物子代从亲代基因组中获得的生长、发育和进化信息并不仅仅取决于基因序列,基因表达过程中的变化对子代表现型也有着重要影响。因此,表观遗传学(Epigenetics)受到了人们的青睐,成为近年来研究的热点。表观遗传学是指在基因的DNA序列没有发生改变的情况下,基因功能发生可遗传的遗传信息变化,并最终导致可遗传的表型变化,而且这种改变在发育和细胞增殖过程中能稳定传递且具有可逆潜能。近年来研究较多的主要有DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码     

转录辅激活子p300/CBP的结构、功能及其在白细胞介素基因表达调控中的作用

p300/CBP(CREB Binding Protein，CBP)是多功能的转录辅激活子，它们参与细胞周期调控、细胞分化和细胞凋亡等多种生理过程. p300/CBP具有乙酰转移酶活性，能通过乙酰化组蛋白和非组蛋白的方式参与基因的转录调控，同时，它们能在转录因子和基本转录复合物之间起到桥梁作用，而且也能为整合多种转录辅因子提供支架. p300/CBP是肿瘤抑制子，在多种癌症中，都发现了p300/Cbp基因的突变或易位. 另外，在多种神经退行性疾病中，p300/CBP的功能受到抑制可能是引起细胞毒性的根本原因. 现已证明p300/CBP参与多种白细胞介素基因的表达调控. 结合我们的研究结果，本文对p300/CBP的结构、功能及其在白细胞介素基因表达调控中的作用进行评述.     

唾液蛋白加速伤口愈合

荷兰研究人员的一项研究表明，人类唾液中有一种蛋白能有效加速溃疡、外伤等伤口的愈合。他们通过对比实验发现，人类唾液中的一类小分子蛋白——富组蛋白除了此前已发现的杀菌功能外，还会加速伤口愈合。研究人员说，他们的研究成果为治疗外伤、烧伤带来了新的思路，对受慢性创伤困扰的患者来说也是个好消息，比如创口不易愈合的糖尿病患者等。由于富组蛋白可以大规模制备，研究人员认为将来用富组蛋白制取的药物，有望像抗生素药膏或者外用酒精一样成为常用药。     

纤毛虫原生动物的分子生物学研究:若干热点领域及新进展

作为分子生物学研究的重要模式材料,纤毛门原生动物在细胞生物学、遗传学、基因组学、生态学以及真核生物的起源和进化等领域均具有重要的研究价值.近年来,本团队在纤毛虫多样性和细胞学研究的同时,聚焦在纤毛虫的分子生物学领域并形成了一批新成果:完成了多个代表性类群2000余条标记性基因的测序和提交以及基因标记筛选、拓扑结构优化等相关的方法学探讨;以此为基础,开展了门内50余个纲目级阶元系统关系的梳理以及基于多基因分析对整个纤毛门的系统树重构建;揭示了四膜虫(Tetrahymena)的一个重要表观遗传学新现象,即特异性修饰组蛋白H3第27位赖氨酸的单甲基化酶TXR1的敲除将严重影响DNA复制延伸的速度和保守度,证实了表观遗传信息的微扰可直接影响遗传信息的复制;对具沟急游虫(Strombidium sulcatum)等6个代表种的转录组/全基因组/线粒体基因组的测序和分析,为纤毛虫进化过程中关键节点种类定位、寻找功能基因家族与形态特征的相关性提供了大量信息;首次发现了选择性拼接在钩刺斜管虫(Chilodonella uncinata)的基因家族中广泛存在并提出一新的理论模型:选择性拼接可能是基因乱序进化过程的中间形式,为探讨纤毛虫物种分化、形成机制提供了一新的视角;在对DNA条形码候选基因分析比较的基础上,初步揭示出不同纤毛虫类群生境间的迁移机制,发现和定位了4个优良候选区段并构建了80余种代表性类群的基因条形码数据库.     

体细胞核移植牛肺脏中H19和Xist基因的DNA甲基化状态

在体细胞核移植中, 体细胞的供体核要经过表观遗传修饰的重编程才能获得发育的全能性, 目前认为不完全的表观重编程是导致克隆效率低的主要原因. DNA甲基化是基因组主要的表观遗传修饰方式, 是调节基因组功能的重要手段. 为了探求核移植过程中DNA甲基化的表观重编程是否充分, 利用亚硫酸氢盐测序法分析了印记基因H19和Xist在出生48 h内死亡的体细胞核移植牛和正常对照牛肺脏中的DNA甲基化状态. 结果发现, 体细胞核移植牛中H19基因甲基化程度较低, 与正常对照组相比差异显著(P < 0.05), 并且 9C3个体有3个CpG (第1, 2, 3位)表现出完全非甲基化; Xist基因甲基化程度在体细胞核移植牛和正常对照牛中都较高, 且没有显著差异.     

见人人之所见,思人人所未思——发现DNA双螺旋结构的故事

在刚刚过去的20世纪,遗传学也许是发展最快、变化最烈的一门自然科学学科.1900年孟德尔(G.Mendel)揭示的生物遗传规律被重新发现,2000年人类基因组全序列工作草图宣告完成,这一头一尾两件大事充分展现了100年来遗传学的重大发展,而连接首尾的关节点,则是1953年沃森(J.D.Watson)和克里克(F.H.C.Crick)共同提出DNA双螺旋结构模型.     

从人到线虫的RNAa现象

RNA干扰(RNAi)原理的发现,使人们认识到小RNA-Argonaute通路介导的基因调控总是负性的,即导致基因表达沉默.2006年RNAa(RNA activation)现象的发现颠覆了这一看法,也引发争议.RNAa首先发现于人等哺乳类细胞,是由靶向基因启动子的、小RNA指导的RNAArgonaute通路对基因转录/表观遗传的正性调控.在RNAa过程中,小RNA与Argonaute蛋白形成RNA-蛋白复合物并进入胞核,与染色体上的靶位点结合,导致靶位点的组蛋白修饰等表观遗传的改变从而在转录水平激活基因表达.最近多项在线虫中的研究显示,线虫内源性22G-RNA指导Argonaute蛋白CSR-1在表观遗传水平促进内源性基因表达,以及微小RNA介导的RNAa,从而确立了RNAa是一种至少从线虫到人细胞进化保守的细胞机制,并揭示了小RNA基因调控通路的复杂性和功能多样性.     

2009年度诺贝尔生理学或医学奖评介端粒和端粒酶:简单生物学问题的复杂生命调控

2009年10月5日,诺贝尔生理学或医学奖授予了美国加州大学旧金山分校的布莱克本(E.H.Blackburn)、约翰霍普金斯大学的格雷德(C.W.Greider)以及哈佛医学院的绍斯塔克(J.W.Szostak)三位科学家,肯定他们在发现端粒以及端粒酶保护染色体末端机制方面所作的贡献.     

Ras蛋白在组蛋白乙酰化修饰介导的多头绒泡菌(Physarum polycephalum)细胞周期调控中的作用

在天然同步化的多头绒泡菌(Physarum polycephalum)细胞中, 组蛋白去乙酰化酶抑制剂Trichostatin A (TSA) 阻断了细胞周期S/G2, G2/M以及走出有丝分裂期的转换, 同时影响了2种ras基因(Ppras1 和Pprap1)的转录以及Ras蛋白的表达水平. 抗Ras蛋白的抗体中和实验结果表明, Ras蛋白通过调节Cyclin B1的表达水平在细胞周期转换点的调控中起重要作用. 以上结果表明, 在多头绒泡菌细胞中Ras蛋白可能是参与组蛋白乙酰化修饰介导的细胞周期调控过程的一个关键因子.     

遗传疾病和它们的基因

1983年春,诺贝尔奖金获得者David Baltimore形容一项DNA重组技术的新操作尚处于“胚胎状态”。不料6个月后,James Gusella领导的研究小组报导说,他们利用这项限制性内切酶切割DNA技术,发现了在第4染色体上的亨丁顿(Huntington)氏病(一种无法治疗的神经系统进行性变性)基因的一个标记物。     

分子生物学的起源和发展(三)

生化遗传学学派的发展孟德尔定律重新发现以后不久,人们最频繁地提出的问题之一是:基因在控制特定的性状方面是如何起作用的?1905年至1925年间,一些工作者,包括H.J.穆勒(H.J.Muller)、西沃尔·赖特(SewallWright)、J.B.S霍尔丹(J.B.S.Haldane)和里夏德·戈尔德施米特(Richard Goldschmidt),提出基因是以某种方式通过控制细胞新陈代谢而起作用的。但是没有人具备研究这个问题的任何具体方     

镜像结构:全部用D-氨基酸制造出来的酶

如同《爱丽斯梦幻记》,美国加州拉霍亚·斯克里普斯研究所的研究人员,通过一种称为“窥镜”(looklngglass)的方法建立了第一个与天然酶的镜像结构完全相同的酶。斯克里普斯细胞室的R.C.del米尔顿(R.C.delMilton),S.C.F.米尔顿(S.C.F.Mition)及S.B.H.肯特(S.B.H.Kent)合成了两种人体免疫缺陷病毒(HIV)蛋白酶——一种使用天然存在的左旋(L)氨