Science:不同的面孔是怎样形成的?
2017/04/01
3月31日的Science上报道了瑞士Friedrich Miescher生物医学研究所的Filippo Rijli团队发现了调节面部形态的表观遗传学机制,该机制解释了独特的特征是如何从相同的控制颅骨面部形状的基因子集中产生的。


每一张脸都是独一无二的,尽管控制颅骨面部形状的基因在每个人身上几乎都是相同的。那么,这些独特的特征是如何从相同的基因子集中产生的呢?瑞士Friedrich Miescher生物医学研究所(FMI)的Filippo Rijli团队发现了调节面部形态的表观遗传学机制。相关文章发表在3月31日的Science上。

产生面部结构的神经嵴细胞是多能的

要产生不同的颅面结构组装成一张优美的脸依赖于一种特殊的细胞类型——神经嵴细胞。它产生了大部分颅骨和面部的软骨。在早期胚胎发育过程中,神经嵴细胞从发育中的神经管向潜在的头部区域迁移。迁移前的神经嵴细胞是多能干细胞,一旦它们到达最终目的地将最终分化为软骨或骨骼。

神经嵴细胞能保持染色质的可塑性,所有的基因都准备响应环境信号。当细胞暴露于这些信号时,会发生一个从稳定的到活跃的染色质状态的切换,诱导产生下巴、额头或颧骨的位置特异性转录程序进行转录。

神经嵴细胞也获得特定的“位置”的身份(和它们在发育的面部的位置有关),这将决定成为下巴、颧骨、鼻子或前额的骨和软骨的形状。这个位置的身份是在细胞迁移过程中获得的,这取决于迁移的路径和它们与当地环境的相互作用。然而,即使迁移后,神经嵴细胞仍保持一定程度的可塑性。

双重表观遗传因子调控神经嵴细胞转录

至这篇文章发表为止,大家还不清楚神经嵴细胞在迁移的时候如何保持可塑性,如何同时响应局部环境信号和诱导位置特异性的转录程序。Filippo Rijli的小组同FMI计算生物学家Michael Stadler,已经阐明了这一过程是由染色质的表观遗传调控起作用的。

在这篇发表在Science上的文章里,他们报道了一种特定的染色体组织能让神经嵴细胞保持转录的准备状态直到它们迁移的终止,从而保持产生所有不同的面孔要素的潜力,不论其最终位置。


第一作者Maryline Minoux解释说:”我们比较了不同位置的神经嵴细胞亚群的染色质在迁移之前和之后的分布。在迁移后的神经嵴细胞,差异沉默基因(即基因在有些亚群中不表达,但在其它亚群中表达)的启动子均由双重的:抑制的H3K27me3和激活的H3K4me2组蛋白修饰的表观遗传标记。这些基因随时准备被激活。令人惊讶的是,这个准备的配置已经存在于迁移前的神经嵴细胞中。一旦细胞接收特定的环境信号,它们会失去抑制的H3K27me3标记,启动位置特异性转录程序。”

此外作者发现:“时刻准备着”的染色质状态由Polycomb抑制复合物2的 EZH2成分调节,这是一个在胚胎发育过程中的染色质调节因子。EZH2特异性地将甲基化添加到组蛋白H3的赖氨酸27。

Filippo Rijli总结道:“这是一个理解不同的面部特征产生的新的概念框架。表观遗传平衡可能使神经嵴细胞迅速适应局部环境信号变化的响应,从而可能解释面部形状的个体之间的差异。”

参考资料

Gene bivalency at Polycomb domains regulates cranial neural crest positional identity

Epigenetic regulation of face formation

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  • Gene bivalency at Polycomb domains regulates cranial neural crest positional identity

    The cranial neural crest cells are multipotent cells that provide head skeletogenic mesenchyme and are crucial for craniofacial patterning. We analyzed the chromatin landscapes of mouse cranial neural crest subpopulations in vivo. Early postmigratory subpopulations contributing to distinct mouse craniofacial structures displayed similar chromatin accessibility patterns yet differed transcriptionally. Accessible promoters and enhancers of differentially silenced genes carried H3K27me3/H3K4me2 bivalent chromatin marks embedded in large enhancer of zeste homolog 2–dependent Polycomb domains, indicating transcriptional poising. These postmigratory bivalent chromatin regions were already present in premigratory progenitors. At Polycomb domains, H3K27me3 antagonized H3K4me2 deposition, which was restricted to accessible sites. Thus, bivalent Polycomb domains provide a chromatin template for the regulation of cranial neural crest cell positional identity in vivo, contributing insights into the epigenetic regulation of face morphogenesis.

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