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颠覆认知!Science:新论文改写“细胞分裂”基因表达理论

2017/10/21 来源:生物探索
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导读
2017年上半年,”肺部具有造血功能”、”DNA复制与我们想象的并不同”等改写教科书的发现引发了强烈关注。近日,一篇发表在Science杂志上的论文再次颠覆了传统认知。来自美国宾夕法尼亚大学的科学家们证实,先前学界提出的细胞分裂期间的基因表达理论是有误的。


图片来源:网络

细胞分裂是一切生物生长、发育、繁殖的基础,主要包括有丝分裂、减数分裂和无丝分裂。长期以来,研究者们认为,在细胞分裂期间,基因会变得“沉默”,不会被转录成蛋白质或调控分子(regulatory molecules)。这一观点引发的一个思考是:在细胞分裂后,基因是如何正确地重新激活的呢?

在这项新研究中,科学家们发现,在细胞复制期间,基因表达实际上仍在继续,并未彻底“暂停”。


Kenneth S. Zaret, Ph.D(图片来源:Zaret Laboratory)

关键方法

论文的通讯作者Kenneth S. Zaret博士说:“我们知道,人体中被发现的不同细胞类型有200种左右。一个细胞表达的基因决定了它究竟是皮肤细胞、神经细胞,还是心肌细胞。我们最初的研究目标是,弄清楚细胞如何从‘沉默的基因状态’转变为‘完全激活的基因状态’,从而决定自己的‘最终身份’,即,是哪种细胞类型。”

Zaret博士实验室的Katherine C. Palozola在解开这一“谜题”中发挥了关键作用,因为她首次找到了一种在分裂期间观察活细胞中基因活性的方法。使用人类肝脏细胞系,她标记了核酸尿苷(nucleic acid uridine),从而据此来观察哪些基因在细胞复制期间依然是活跃的。


Katherine Palozola(图片来源:Zaret Laboratory)

惊人发现

“令我们感到惊讶的是,尽管水平很低,但在复制期间,基因表达其实仍在继续。”Palozola说。

具体来说,研究发现,尽管在细胞复制期间,染色体非常紧凑(小贴士:有丝分裂前期,细胞内松散的染色质会凝缩成染色体),调控分子的序列被“埋藏”,且先前被假定无法被转录,但大多数基因以及它们的附近区域依然在积极地表达。


Image of chromosomes in uncondensed form (left) and condensed form in dividing cell (right).Credit: The lab of Ken Zaret, PhD, Perelman School of Medicine, University of Pennsylvania

此外,研究人员还发现了细胞在分裂结束后是如何“觉醒”,并回忆起“它们是谁”的。原来,最终驱动细胞分化指同一来源的细胞逐渐产生出形态结构、功能特征各不相同的细胞类群的过程的是增强子序列。

增强子是指增加同它连锁的基因转录频率的DNA序列,可以位于基因的5’端,也可位于基因的3’端,有的还可位于基因的内含子中。增强子的效应很明显,一般能使基因转录频率增加10~200倍,有的甚至可以高达上千倍。在先前的一项研究中,其它科学家团队曾证实,在细胞分裂期间,增强子会“小睡”约30分钟,然后在一个细胞分裂周期结束后再次“上线”。

作者点评

Zaret博士总结道:“关于这项研究,最令人惊讶的是,它让我们不得不“抛弃”那些我们曾以为正确的基因调控方面的基本认识。我们希望,最终,基于这一成果以及后续研究能够提高我们改变细胞‘身份’的能力,为科学研究和开发治疗方案创造新的细胞和组织。”

参考资料:

Mitotic transcription and waves of gene reactivation during mitotic exit

How does a cell maintain its identity during replication?

细胞分裂

增强子

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