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Science:重大发现!参与人细胞中基因调节的DNA甲基化也可是数字化的和随机的

来源:本站原创 2018-08-27 19:15

2018年8月27日/生物谷BIOON/---我们体内的每个细胞都有相同的基因组(genome),并且有潜力变成任何类型的细胞。在发育期间,表观基因组(epigenome)介导让细胞成为皮肤细胞或神经元的过程。如果基因组是计算机硬件的话,那么表观基因组就是将某些基因开启而让其他基因关闭来让细胞成为皮肤细胞或者开启或关闭其他基因来让细胞成为神经元的软件

表观基因组在很大程度上被编码为一组细胞类型特异性的被称作DNA甲基化的DNA化学修饰。在一项新的研究中,来自美国国家卫生研究院路线图表观基因组学项目(National Institutes of Health Roadmap Epigenomics Project)的研究人员发现参与基因调节的DNA甲基化在很大程度上是数字化的和随机的,而且每个细胞中的母本和父本基因拷贝在某个时间段内是开启或关闭的。相关研究结果于2018年8月23日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Allele-specific epigenome maps reveal sequence-dependent stochastic switching at regulatory loci”。

论文通信作者、美国贝勒医学院计算与综合生物医学研究中心联合主任Aleksandar Milosavljevic博士说,“我们想要更好地理解一种被称作序列依赖性等位基因特异性甲基化(sequence-dependent, allele-specific methylation, SD-ASM)的细胞基因调节机制。我们使用了一种被称作全基因组亚硫酸氢盐测序(whole-genome bisulfite sequencing, WGBS)的方法,它允许我们在多种人类细胞类型中在单分子分辨率下观察基因调节。我们能够确定在单个细胞的父本和母本染色体中的同一基因的表观基因组差异。我们能够观察到之前无法观察到的东西。”

利用这种高分辨率方法,Milosavljevic及其同事们发现SD-ASM介导的基因调节以类似于家用恒温器的方式发挥作用,但是也具有独特的特征。恒温器具有一个预先设置好的温度值(比如23.3摄氏度),在这个温度下,空调机将会开启。当温度低于这个预设值时,空调机将会关闭。这个过程是数字化的,这意味着空调机开启或关闭,不存在中间的活动状态。这些研究人员发现,像家用恒温器一样,这种基因调节机制也是数字化的;它会在一小部分时间内开启或关闭基因,不存在中间的活动状态。

Milosavljevic说,“我们还发现这种基因调节过程是随机的。再次以恒温器进行比较,在常规的恒温器中,当温度达到预设的23.3摄氏度时,空调机开启的概率是100%。另一方面,在随机的恒温器中,空调机开启的概率会随着温度达到23.3摄氏度时增加,但是一旦达到23.3摄氏度,空调机开启的概率不会是100%。在23.3摄氏度时,空调机有可能不会开启,但随着温度的升高,空调机开启的概率会变得更高。”

就基因调节机制而言,控制父本和母本基因的特定遗传变体可能代表着用来比较的恒温器中的不同“预设温度值”,这就导致在每个人细胞中的母体和父本基因拷贝在表达程度上存在着差异。

Milosavljevic说,“比如,对神经元中的特定基因而言,母本基因拷贝的'恒温器'被设置在22.7摄氏度时开启,而母本基因拷贝的'恒温器'被设置在23.3摄氏度时开启。这意味着父本和母本基因拷贝在开启上存在着差异,从而导致一个基因的两个拷贝(即父本拷贝和母本拷贝)之间存在不平衡。我们发现5%~8%的表观基因组显示出这种不平衡。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Vitor Onuchic1,2,3,4,*,†, Eugene Lurie1,3,4,*, Ivenise Carrero et al. Allele-specific epigenome maps reveal sequence-dependent stochastic switching at regulatory loci. Science, Published Online: 23 August 2018, doi:10.1126/science.aar3146.

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