還有“永生”的DNA鏈？（3）

朱欽士 （美國(guó)南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院）

（上接2021年第5 期第17 頁）

7 干細(xì)胞還選擇性地保留表觀遺傳修飾

細(xì)胞的命運(yùn)和性質(zhì)歸根結(jié)底是由基因的表達(dá)狀況決定的。動(dòng)物體內(nèi)所有的細(xì)胞都含有完全相同的DNA，之所以有些細(xì)胞成為未分化或分化程度較低的干細(xì)胞，有些細(xì)胞成為組成身體的各種體細(xì)胞，就是因?yàn)檫@些細(xì)胞中基因表達(dá)的情形不一樣。不同的基因表達(dá)生成不同的蛋白質(zhì)，執(zhí)行不同的功能，使得每種細(xì)胞都有其特性。

在這方面，保留DNA“原始文件”中核苷酸的序列無疑非常重要，它保證基因表達(dá)的產(chǎn)物，蛋白質(zhì)中氨基酸的序列保持不變，也保證基因“開關(guān)”的序列保持不變。但影響基因表達(dá)狀況的，不僅是DNA 的核苷酸序列，還有DNA 序列中堿基被修飾的狀況和與DNA 結(jié)合的蛋白質(zhì)被修飾的狀況。這些修飾發(fā)生在核苷酸的序列之外，稱為“表觀遺傳修飾”（epigenetic modifications），其中的“epi-”就是“上”和“外”的意思。

DNA 序列中堿基的修飾主要是在一些胞嘧啶（cytosine）的5 位加上1個(gè)甲基（-CH3），稱為DNA 的“甲基化”（methylation），其作用主要是屏蔽基因的啟動(dòng)子，使其不能發(fā)揮功能?；虻膯?dòng)子（promoter）也是DNA 序列，通過結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子（transcription factors，控制基因開關(guān)的蛋白質(zhì)）發(fā)揮作用。不同的轉(zhuǎn)錄因子有不同的結(jié)合序列，例如，轉(zhuǎn)錄因子AP-1 的結(jié)合序列為5′-TGACTCA-3′，轉(zhuǎn)錄因子SP1 的結(jié)合序列為5′-GGGCGGG-3′。不同基因的啟動(dòng)子含有不同的轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合序列，使得每種基因在細(xì)胞中都有其獨(dú)特的表達(dá)方式。胞嘧啶的甲基化，相當(dāng)于給這個(gè)堿基戴頂“帽子”，使得轉(zhuǎn)錄因子“不認(rèn)識(shí)”原的結(jié)合序列，基因表達(dá)也會(huì)受到影響。啟動(dòng)子區(qū)域胞嘧啶的甲基化一般都與基因的表達(dá)程度降低有關(guān)。

除胞嘧啶的甲基化，胞嘧啶還可被羥甲基化，即在胞嘧啶上加上1 個(gè)羥甲基（HOCH2-），其功能主要是控制DNA 的甲基化程度。

表觀遺傳修飾的第2 種類型是對(duì)組蛋白加以修飾，其中又包括多種形式，例如，甲基化、乙?；c磷酸化。真核細(xì)胞中的DNA 并不是裸露的，而是和組蛋白（histones）結(jié)合，組成“染色質(zhì)”（chromatid）。與DNA 結(jié)合的組蛋白主要有4 種，分別是H2A、H2B、H3 和H4，它們?cè)谝黄鸾M成球形的8 聚體，其中每種組蛋白有2 個(gè)分子。在細(xì)胞分裂時(shí)，染色質(zhì)高度濃縮，才成為在顯微鏡下容易觀察到的“染色體”（chromosome）。前文談及的細(xì)胞分裂時(shí)DNA 的分配，其實(shí)是分裂期染色體的分配，分配的不僅是DNA，還包括與之結(jié)合的組蛋白及其修飾狀態(tài)。

組蛋白的修飾狀態(tài)對(duì)基因表達(dá)也有很大的影響。如果染色質(zhì)的一部分是緊密包裹的，這部分的DNA 就被“隱藏”，轉(zhuǎn)錄因子無法與啟動(dòng)子結(jié)合，基因也無法表達(dá)。使染色質(zhì)松弛的一種手段就是組蛋白的乙酰化，在賴氨酸側(cè)鏈的氨基（-NH3+）上加上乙酰基（CH3CHO-）。氨基在中性pH 值條件下是帶正電的，有助于組蛋白與帶負(fù)電的DNA 結(jié)合。在氨基上加上乙?；?，相當(dāng)于是“屏蔽”氨基所帶的正電，使得組蛋白與DNA 的結(jié)合不太緊密，染色質(zhì)散開，DNA 鏈暴露出，轉(zhuǎn)錄因子和RNA 聚合酶就可結(jié)合至基因上，啟動(dòng)基因的表達(dá)。

除組蛋白的乙酰化，組蛋白中側(cè)鏈上的賴氨酸和精氨酸上的氨基還可被甲基化，而且在氨基上還可加上不止一個(gè)甲基。這些被甲基化的氨基多數(shù)成為其他蛋白或蛋白復(fù)合物的“招募”點(diǎn)，使它們參與染色質(zhì)有關(guān)的各種活動(dòng)，例如，組蛋白4（H4）第20 位的賴氨酸加上一個(gè)甲基（H3K4me1，其中K 代表賴氨酸，me 代表甲基methyl，1 表示加上一個(gè)甲基）使染色質(zhì)包裹緊密，抑制基因表達(dá)，在同一個(gè)氨基上加上2 個(gè)甲基（H3K20me2）與DNA 損傷的修復(fù)有關(guān)，而在H3 第4 位的賴氨酸上加上2 個(gè)或3 個(gè)甲基（H3K4me2 和H3K4me3）就與基因的活化有關(guān)。

組蛋白中絲氨酸（serine）、纈氨酸（threonine）和酪氨酸（tyrosine）上的羥基（-OH）上還可加上一個(gè)磷酸根，稱為組蛋白的磷酸化（histone phosphorylation）。與甲基化的賴氨酸和精氨酸的作用類似，這些磷酸化的氨基酸也作為其他蛋白的招募點(diǎn)，參與和染色質(zhì)有關(guān)的各種活動(dòng)。例如，H2第32 位的絲氨酸的磷酸化（H2S32ph，其中S 代表絲氨酸，ph 代表磷酸根）就與上皮生長(zhǎng)因子（EGF）基因的表達(dá)有關(guān)，H3S10ph 和H2BS32ph 就與c-fos、c-jun和c-myc等基因的表達(dá)有關(guān)。

干細(xì)胞和體細(xì)胞在組蛋白的修飾上各有特點(diǎn)，因此，干細(xì)胞所保留的高“輩分”的DNA，其實(shí)也包括這份DNA 的甲基化狀況和與之結(jié)合的組蛋白的修飾狀況。由于細(xì)胞的特性是由基因表達(dá)狀況決定的，保留干細(xì)胞原的表觀遺傳修飾，也就保留干細(xì)胞的特性。

例如，2013年，美國(guó)波士頓生物醫(yī)學(xué)研究所的James Sherley 用BrdU 標(biāo)記小鼠毛囊細(xì)胞，在96 h（大約4～5 次細(xì)胞分裂）后用免疫熒光染色法檢查甲基化胞嘧啶和羥甲基化胞嘧啶的含量，發(fā)現(xiàn)保留BrdU 信號(hào)的細(xì)胞，即毛囊干細(xì)胞，富含羥甲基化的胞嘧啶，而細(xì)胞對(duì)中的另一個(gè)細(xì)胞（即要進(jìn)行分化的細(xì)胞）含有很少的BrdU 信號(hào)和羥甲基化的胞嘧啶。甲基化的胞嘧啶的含量在2個(gè)細(xì)胞核中的含量則差別不大，說明含“永生”DNA 鏈的染色質(zhì)富含羥甲基化的胞嘧啶。

（待續(xù)）