寻找罗塞塔的钥匙（ZT）

marrowstem

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The Rosetta Key
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      表观遗传学的一个重要研究内容是DNA的甲基化和去甲基化研究。8 x) b" P1 g. n% ^$ [/ T6 \8 o
      DNA甲基化是较早发现并得到认可的一种表观遗传学修饰，通俗一点讲就是在碱基胞嘧啶（cytidine, C）的嘧啶环上第5位碳原子加上一个甲基基团（-CH3）。但这种修饰并非发生在DNA序列中所有的C上，而主要是在CG一起出现时的C上（后来发现：在胚胎干细胞，也有很多甲基化发生其他C上）。千万请别小看了这样一个小小的甲基化修饰，它给DNA上基因的表达增加了非常重要的额外信息，使有限的基因组遗传信息可以呈现出更丰富的多样性和可塑性。
' H7 ]" y  _! @$ @7 {  B      到此，你也许会问：这额外的信息究竟是什么呀？为此我们可以这样来理解：基因组中的DNA原本都是可以表达的，但我们知道并不是什么时候都需要上面的基因随意表达的，在更多的时候往往需要的是关闭基因的表达，即基因的表达具有时空特性，针对某一种细胞来说可能需要表达的基因只占基因组中的极小一部分。而DNA甲基化就是完成这个任务——关闭基因表达的先驱者及领头羊。( ?% [* X) Y: [% }
     因此我们可以把DNA甲基化理解为是“一把锁”，凡是被DNA甲基化标记的基因都被关闭表达了，比如基因组的“捣蛋鬼”——转座子，就是被甲基化这把“锁”管制着，如果失去管制或管制不严，这些“捣蛋鬼”会在基因组里跳来跳去，把基因组搞得一团糟，结果会引起许多问题，如肿瘤、精神疾病（自闭症等）发生，反过来说被甲基化的基因都是需要被“尘封”“监禁”的基因。, r& x# W1 r& C" I
     DNA甲基化在体细胞水平是十分稳定、且可遗传的，也就是说，具有极性的体细胞分裂形成的“子女”细胞不仅继承了“母本”细胞的基因组DNA序列，而且还十分忠实地拷贝了“母本”细胞的基因组DNA甲基化模式。
/ i7 j' F5 I" w, ^" v+ R7 q    但对干细胞和生殖细胞来说这种情况却是一个例外，这些幼稚细胞的分裂过程采取另外一种模式，如在生殖细胞形成过程及受精卵向胚胎分化的过程中，基因组DNA上的甲基化要经历一次大清洗，而且时间窗口很短，甲基化模式要被大规模的“重塑”。如受精卵在分裂前，显然要对精子基因组ＤＮＡ的甲基化进行一次“清洗”，然后在受精卵分裂不久后很快又开始重建甲基化模式，此也是细胞分化发生的基础，可以产生多种多样并各具功能性质的细胞。另外，在生殖细胞（精子和卵子）的形成过程中，也有这样一个甲基化重塑形式。, |8 Z$ N% u- ?
     对此又一个重要的问题必须面对：DNA甲基化在这么短的时间内是如何被“清洗”掉的？从生物学角度，回答这个问题的关键是要找到能将DNA的甲基化基团去掉的DNA去甲基化酶（DNA　demethylase）。
& E3 S' n; a+ Q7 P1 C8 l/ [     然而，提出这个问题很容易，解决起来却困难重重。从提出问题伊始，很多人花了几十年的功夫，却一直没找到解决这个问题的钥匙！为什么？因为DNA去甲基化这个过程只限于卵子受精后分裂前和生殖细胞生成的短暂生成过程中，而且细胞来源也极有限，无法获得足够多数量的细胞或组织来进行分子生物学操作并作基因鉴定，更无法进行一些常规的生化操作来分离纯化酶。因此多年以来这DNA去甲基化过程一直是一个很大的谜团。+ G3 O# a! a3 F2 q# K6 u) h' J
     问题很重要，可罗塞塔的钥匙就是无从找到！
! @  k! ~8 @: [3 s) D& s; H& ^9 o    有个加拿大的犹太裔生物学家Szyf教授made a big joke。这老先生剑走偏锋，最后成为这个领域的另类科学家，他的实验室在1999年首先报道发现了一个DNA去甲基化酶，paper发在Nature上【1】，一时间在圈内引起轰动，但文章发表后其它实验室就是重复不出来。于是Szyf在JBC杂志上专门给出详细条件，给大家分析为什么实验难以重复的原因，但结果是还是没有人报道能重复出他的结果来。有段时间大家都挺忌讳提DNA去甲基化酶这个概念，怕被别人耻笑。而这位老先生热情依旧，不停地给ＪＢＣ灌水， 并用不同的系统来证实去甲基化酶的存在。 % v' W, t" O6 l6 s1 C
     Szyf的独角戏唱了十几年，ＤＮＡ去甲基化的研究也沉寂了若干年。虽然有好多科学家看空这些研究，认为不仅浪费时间、还很有可能是一条死胡同。但还是有一些有远见的科学家一直还在思考这个问题，并没有停止探索的脚步。2005年，施扬的实验室发现组蛋白去甲基化酶和催化机制，引起轰动，这也鼓舞了人们继续寻找和鉴定DNA去甲基化酶的信心。另外北大尚永丰实验室也报道了在卵巢癌细胞中有基因特异性“主动DNA去甲基化”的现象，还有美国的朱健康实验室在植物中发现并鉴定了ＤＮＡ去甲基化酶。
6 I1 J( h/ ]3 n" f5 R; O     然而，哺乳动物的DNA甲基化酶，依然是“犹抱琵琶半遮面”，“千呼万唤不出来”！3 c: V+ k" G/ `/ p
      2008年，德国多家实验室联合的工作，和来自法国实验室的一项研究同时在Nature上发表论文，报道了载体细胞内局部性的主动DNA去甲基化过程【2，3】。而这时，ＤＮＡ甲基化领域的一个大牛——哥伦比亚大学的Bestor出来在Cell上带有讥讽的口吻评论来这两项工作，Cell上他写的题目是：The colorful history of active DNA demethylation.【4】。而稍早些时候，海德堡的发育生物学家Niehrs在Nature上发文报道一个DNA损伤诱导蛋白Gadd45a促进DNA去甲基化【5】，但是当即引来针锋相对的反驳。美国加州贝克曼研究所的Pfeifer 实验室在PLoS Genet.上发文否定Niehrs的结果，题目也是针锋相对，火药味十足，题目是 GADD45A does not promote DNA demethylation【6】!
0 k: l, h4 \. ]' U$ a! H7 u, \& |9 n     但是，后来相继又有几篇来自不同实验室的报道肯定了Niehrs的结果。仅管如此，还是有些问题：１．Gadd4a基因敲除并不妨碍胚胎发育，也不会影响受精卵分裂前的去甲基化过程，2. GADD4a 其实并不是真正的去甲基化酶，它只是启动一种DNA修复机制，叫核酸切除修复（Nuclear acid excision rapair, 简称NER，主要用来修复紫外线对DNA的损伤），把一段甲基化的DNA切了，重新合成新链。这个机制在局部或者是个别基因特异性去甲基化中发挥作用是可以理解的，作为普遍的机制，参与全基因组甲基化的重新编程，恐怕让人接受不了。打个比方，如果想把墙体颜色换了，你是愿意把墙上的砖拆下来换成新砖呢，还是只是把把砖上的涂料／漆除掉呢？尤其是对整栋楼的大面积换的时候？，毕竟一方面是效率问题，另一方面是经济问题。
+ I; D. I/ t( u0 t1 W1 v/ z      终于迎来2009-2010，这时，DNA去甲基化酶才真正“千呼万唤始出来”，关于DNA去甲基化酶的研究才真正风生水起，正式走上舞台的中央，成为耀眼的superstar。1 Y5 d8 {; t0 O; X$ G3 D+ _% \
  (To be continued)9 r: F6 u  \1 C5 Q4 d

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marrowstem

      DNA甲基化后相当于一把锁，其机理是什么？
+ C3 V% o  U; E# b6 r      1. a.基因沉默信息（锁效应）；b. 结构，如heterochromatin 结构（和histone methylation 等其它机制协作；c.  imprinting 信息， 父本、母本来源的相同基因却只有一个表达，因此不同搭配结果也不同；比如公驴和母马交配生出的是高大强壮的骡子，而公马和母驴生出的却是矮小的；d. 基因之间的“隔离”（insulator)受到甲基化影响；e 其它，比如在低等生物如作为母本原始DNA的标志，比如DNA合成过程中掺入了一侧错误的碱基，形成错配（mismatch），那该切掉谁呢？当然是切掉新合成的了，怎么判定是新合成的？甲基化就是标志。5 _6 V1 a1 E$ l' _: e. O
      2. 锁的机理有二： a. 干扰转录因子结合，b 通过募集甲基化胞嘧啶结合蛋白，和后续沉默复合体，以及组蛋白甲基化，最终形成致密紧凑的异染色质结构（heterochromatin)，关闭基因的表达。第二种是主要机制。
3 e3 X4 q% X9 ~" o0 G5 z      3. 哺乳动物主要是CG甲基化，但在干细胞一些非CG的C也会存在甲基化。为什么CG甲基化，因为只有CG才能在互补链上也是CG（对称），这样才能在体细胞分裂时，甲基化模式均匀地分配到两个daughter cell中，并实现这种甲基化的体细胞遗传。哺乳动物还未发现其它形式的修饰，倒是一些低等生物如大肠杆菌有Adenine甲基化、鸟嘌呤甲基化或其他修饰多化学毒物引起来的病理性损伤。 $ I2 Q; A% x6 r; M& Z2 C7 Q7 T. J
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kjeldahl

这个不错。。虽然不做，但挺有意思 的。
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kostarcell

写的真好

hndxws

想知道DNA甲基化酶在2009年以来的研究故事

hndxws

楼主写的不错& [: }0 b7 L  ^. A$ M, o; P

stemcell8

支持楼主，并欢迎继续

kjeldahl

拿图做头像了。。。

a2782953

回复 marrowstem 的帖子
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% h( b4 n) q9 O( ~( a) Y9 W+ n恩，挺好的，谢谢楼主分享。( X- ]! Z7 Z! y: o# a3 m7 g

1 |* V& \5 E% ~" n- Z; W) D- t不过还有个没看懂： & O) `  L* n3 W. C6 R5 \3 E
3. 哺乳动物主要是CG甲基化，但在干细胞一些非CG的C也会存在甲基化。为什么CG甲基化，因为只有CG才能在互补链上也是CG（对称），这样才能在体细胞分裂时，甲基化模式均匀地分配到两个daughter cell中，并实现这种甲基化的体细胞遗传。
: P/ A8 F3 ?9 V7 y$ l9 w
7 N5 ^! h" }) c# C/ H6 \  如果是AT的话，也可以在 互补链上对称啊，为什么不是AT呢？

ppcl2

写的不错，请继续！