作者：張佳星發(fā)布日期：2018-10-23
或許因為DNA的光環(huán)太過璀璨，組蛋白生命活動的控制威力始終“燈下黑”。很早人們便發(fā)現(xiàn)，DNA纏繞在組蛋白八聚體上，進(jìn)而構(gòu)成染色質(zhì)，然而，直到1996年前后，一直被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)“邊角料”的組蛋白才被發(fā)現(xiàn)也坐在掌控生命王朝的“金交椅”上。
猶如“美式普爾”桌球上己方的8枚關(guān)鍵球，組蛋白八聚體此前被認(rèn)為是坐等擊打的“呆球”，事實卻是，它們通過位置、角度（甲基化、乙?；┑茸儞Q，牽引著DNA這根“球桿”的活動，進(jìn)而控制生命進(jìn)程的“球局”。而兩位美國科學(xué)院院士、表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域的開創(chuàng)者大衛(wèi)·阿里斯和邁克爾·格倫斯坦直擊“黑8號”落袋，開創(chuàng)性地證明了基因表達(dá)受組蛋白化學(xué)修飾影響。
此前不久，他們因此項研究獲得2018年拉斯克獎基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)獎。在2018年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎公布前，無數(shù)的預(yù)測版本中，阿里斯和格倫斯坦也一直是名單中的熱門人選。錯過了今年的諾貝爾獎，下一屆得主會不會是他們？了解組蛋白的影響力，或許能有所判斷。
不是“桿擊球”而是“球引桿”
在真核生物的細(xì)胞核中，DNA并非散亂堆放，而是每147個堿基對纏繞一組組蛋白，繞行約1.65圈，為一個重復(fù)單元，被稱為“核小體”。
就好像樂高玩具的組件，核小體和其他配件一起，通過大量的“拼插”“纏繞”，最終構(gòu)成松散的染色質(zhì)或者致密的染色體。
在示意圖中，組蛋白經(jīng)常被畫成小球，8個一組成為“線軸”，用來纏繞DNA。人們一直認(rèn)為組蛋白存在的意義，只是做為DNA的“支架”，并無實際功效。但1996年之后，這種觀點開始受到質(zhì)疑。事實上，越來越多地研究表明，不只調(diào)控基因有“開關(guān)”的功能，很多非基因的控制元件也在基因調(diào)控中發(fā)揮關(guān)鍵作用，組蛋白的調(diào)控力就是其中之一。
顯然，將組蛋白刻畫成呆板的“線軸”完全忽略了它“活動”的能力。事實上，它們能退、能進(jìn)、能守，兩位獲獎科學(xué)家從不同角度證明了組蛋白對DNA的表達(dá)有著掌控實力，揭開了一個先前隱藏的基因調(diào)控機制。上世紀(jì)80年代開始，格倫斯坦就通過對酵母的遺傳研究，確立了組蛋白和核小體在活體轉(zhuǎn)錄調(diào)控和染色體分離中的功能，并證明組蛋白極大地影響活細(xì)胞內(nèi)的基因活動，為理解特定氨基酸在這一過程中的關(guān)鍵作用奠定了基礎(chǔ)。而阿里斯在四膜蟲中發(fā)現(xiàn)了一種酶，能夠?qū)⑻囟ǖ幕瘜W(xué)基團連接到組蛋白中的特定氨基酸上。這種組蛋白修飾酶被證明是一種已知的轉(zhuǎn)錄共激活物。
讓冷僻的染色質(zhì)研究熱門起來
“我拜訪的所有果蠅實驗室都對染色質(zhì)研究毫無興趣。”阿里斯回憶了上世紀(jì)70年代自己博士畢業(yè)后研究方向受挫的經(jīng)歷，無奈之下，即使連四膜蟲的英文單詞怎么拼都還不知道，他仍然接受了同事研究四膜蟲的建議。
而格倫斯坦在拉斯克基金會制作的一段視頻中說：“我進(jìn)入這個領(lǐng)域的時候，每個人都在研究基因活性，我想研究組裝材料。我不想走別人的路。”
涉足鮮有人研究的領(lǐng)域，材料獲得、研究方法都必須原創(chuàng)。阿里斯在回憶錄中寫道，除了繁瑣海量的在數(shù)百種銀染凝膠實驗中跟蹤乙?；D(zhuǎn)移酶活性的研究外，團隊還獨創(chuàng)了乙?；D(zhuǎn)移酶膠內(nèi)檢測技術(shù)，直接在分離膠內(nèi)檢測酶的活性高低，將實驗效率大大提升。
最終，阿里斯勉為其難選擇的四膜蟲成為研究得以成功的“福星”。四膜蟲中的組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶碰巧擁有比其他很多模式動物高很多倍的酶活性，很方便做體外酶活實驗，如果是在其他細(xì)胞中純化出的酶，未必會有如此結(jié)果。
隨后，四膜蟲中的乙?；D(zhuǎn)移酶被分離獲得，并與麻省理工學(xué)院學(xué)者在酵母中獲得的有轉(zhuǎn)錄激活功能的因子同源匹配成功。不久之后，哈佛大學(xué)等學(xué)者也在哺乳動物體內(nèi)找到了乙?；D(zhuǎn)移酶，進(jìn)一步證明組蛋白乙?；瘜蜃饔玫?ldquo;掌控力”，也使得人們認(rèn)識到這一領(lǐng)域的重要性，科學(xué)界對于染色質(zhì)的研究開始興旺起來。
組蛋白的掌控力靠“密碼”發(fā)指令
“人的基因組含30億個堿基對，像一座延綿的萬里長城。去哪個城臺垛口去呢？需要特定記號，而擔(dān)任標(biāo)記作用的就有組蛋白乙?；?。以乙酰化為代表的記號能通過特定結(jié)構(gòu)域的識別，將調(diào)控因子靶向招募到特定基因組區(qū)域。”曾與阿里斯有過深度學(xué)術(shù)交流的清華大學(xué)教授李海濤解釋，首先要有組蛋白的變化，而它們通過甲基化、乙酰化等化學(xué)修飾承載和傳遞信息，“組蛋白乙?；褪亲钤缫活惐谎芯康?lsquo;密碼’，這種密碼傳遞出的指令調(diào)控著基因表達(dá)。”
在細(xì)胞中，組蛋白的工作場所在哪里呢？“組蛋白的翻譯后修飾在細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞核中都有發(fā)生。但是大部分的組蛋白翻譯后修飾都是在細(xì)胞核中進(jìn)行的。”中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院研究員劉興國解釋，有些研究報道某些乙酰基轉(zhuǎn)移酶亦可在細(xì)胞質(zhì)定位，可以乙?；潞铣傻慕M蛋白，從而影響組蛋白的插入。
尋找參與表觀密碼解讀的“閱讀器”（reader）被視為表觀遺傳學(xué)研究基本任務(wù)之一。例如，李海濤團隊過去五年來，在《細(xì)胞》《自然》等雜志發(fā)文，先后發(fā)現(xiàn)了包括YEATS、PWWP、PHD鋅指等在內(nèi)的一系列“閱讀器”結(jié)構(gòu)域特異識別并解讀組蛋白修飾的分子基礎(chǔ)，揭示出數(shù)種新型組蛋白修飾交叉會話機制。
找到了操控發(fā)生的“源頭”和“場所”后，科學(xué)家尋找各種線索匯總到同一個場景中，做到對組蛋白調(diào)控的“情景再現(xiàn)”。“科學(xué)家們主要是繼續(xù)尋找新的組蛋白修飾及相關(guān)修飾酶，繼續(xù)深入研究組蛋白與染色質(zhì)結(jié)構(gòu)及基因轉(zhuǎn)錄的關(guān)系。”劉興國說。
已在實際應(yīng)用中發(fā)出“回響”
2015年，阿里斯在中國的一次學(xué)術(shù)演講中表示，一些組蛋白上發(fā)生的錯誤引起了癌癥。而此前，一些遺傳性疾病的病因探索中，人們大多將目光放在非組蛋白突變上。“而組蛋白突變在人類治療中產(chǎn)生了一個潛在領(lǐng)域，這是非常有益的。”阿里斯說。
組蛋白修飾的基因表達(dá)調(diào)控作用已在實際應(yīng)用中發(fā)出了洪亮的“回響”。隨著對組蛋白的理解不斷深入，藥物研發(fā)人員提出了新的癌癥治療方法，如默克公司用于治療皮膚癌的伏立諾他（Zolinza)，就是組蛋白脫乙酰酶（HDAC）抑制劑，已于2016年獲得美國食品與藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)上市，更多類似藥物也已進(jìn)入臨床試驗。
“目前將表觀遺傳實驗發(fā)現(xiàn)向臨床轉(zhuǎn)化是研究熱點，同時也存在很多挑戰(zhàn)。”劉興國表示，例如由于表觀遺傳的復(fù)雜性，單個基因的突變可能引起整個基因組范圍內(nèi)表觀修飾的變化，從而影響轉(zhuǎn)錄、復(fù)制、DNA修復(fù)等多個細(xì)胞過程，因此藥物的影響更需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑u估。此外，由于每類表觀遺傳因子家族蛋白結(jié)構(gòu)相似，抑制劑的特異性也是非常大的挑戰(zhàn)。
“此外，將組蛋白的作用納入到生命進(jìn)程的解碼中，還攻克了多年難以完成的克隆猴工作。”李海濤說。
相關(guān)資料顯示，近年來由哈佛大學(xué)張毅教授與同濟大學(xué)高紹榮教授的團隊發(fā)現(xiàn)，體細(xì)胞克隆胚胎發(fā)育的主要障礙之一是，克隆胚胎基因組上大量賴氨酸三甲基化的存在。因此，我國完成“中中”“華華”克隆猴培育工作的孫強團隊，在克隆過程中注射了去甲基化酶和組蛋白去乙酰化酶抑制劑，大大提高了克隆效率，最終獲得成功。
來源：科技日報
