一个基因组是如何形成多种类型的细胞的

细胞的秘密

细胞的多面性

在关于生物学的一个前沿问题——细胞的活动方式——的一系列不定期文章中，这是第一篇。

生物学的一个未解之谜是，各种特化的细胞相互合作构建了一个人体，却都具有一个相同的基因组。在人体——脑、肝脏、骨骼、心脏和许多其它的器官——内，大约有200种不同类型的细胞，它们中的每个细胞一定以某种方式分别读取了写进DNA的一套不同的遗传指令。

这个系统有点像一部戏剧，剧中所有的演员有相同的剧本，但扮演不同的角色，并且被阻止看见任何其他人的台词。受精卵拥有第一份剧本；随着它反复地将剧本的拷贝发到人体的10万亿个细胞中，这些细胞也给自己分配了不同的角色——在人的一生中将扮演的角色。

这个分配过程是如何进行的？研究人员发现答案是，包装基因组DNA的特殊蛋白质中嵌入了第二层次的信息。这个第二层次，即通常所说的表观基因组（epigenome），控制着对基因的访问，允许每种细胞激活它自己的特殊基因，但封闭了剩下的大部分基因。一个人有一个基因组，但有很多个表观基因组。表观基因组不仅参与界定在每种类型的细胞中哪些基因是需要的，而且参与控制这些所需基因何时被激活。

在2003年解码了人类基因组之后，紧接着了解表观基因组已成为一个主要的研究前沿。

因为表观基因组上的设置控制着哪些基因是开启的或关闭的，所以它的任何紊乱行为都很有可能对细胞产生严重的影响。

有许多证据表明，表观基因组的改变有助于对癌症和其它疾病的治疗。表观基因组随年龄而改变。同卵双胞胎通常随着年龄的增长，其外表和行为就有了一些不同，这是因为他们的表观基因组的改变逐渐积累。了解表观基因组的这些变化，可以有助于阐明或延缓一些老化的症状。表观基因组可能是实现再生医学梦想的关键，即从患者的自身细胞中获得安全和有效的替代组织。

由于表观基因组是通向了解细胞调控的其它许多方面的必经之路，一些研究人员对在“零碎的基础”上探索表观基因组提出了批评，并呼吁建立一个类似于30亿美元破译人类基因组项目的大表观基因组计划。目前，美国国立卫生研究院（NIH）有一个称为表观基因组路线图（Epigenome Roadmap）的小项目，投入资金为1.9亿美元，这些钱分配给了单个的研究者。

通常就是这样，学术研究人员反对大的、集中的项目，如果这笔钱可能出自自己的科研基金。但是，如果不经过深思熟虑，这种大项目往往会失败，这也是事实。

地处剑桥市的怀海德基因组研究所（Whitehead Institute）的生物学家理查德·杨（Richard A. Young）说：“确切地说，这是像基因组大小的一件事，我相信它带来的好处将超出我们目前的预测。”但是，西雅图弗雷德·哈钦森癌症研究中心（Fred Hutchinson Cancer Research Center）的斯蒂文·亥尼可夫（Steven Henikoff）说，现在研究表观基因组的方法还没有准备好大规模化。他说：“使这项技术大规模化还为时过早。”

表观基因组包含几千万个化学修饰，或被称为标记。这些标记是根据染色质的长度和染色体的材料被“做”出来的。染色质包括双链DNA和缠绕它的蛋白质。构成表观基因组的一些标记直接“做”在DNA上，但是大部分标记是在从蛋白质缠绕中伸出的DNA的短尾上。某一种类的标记一般会贯穿于包含一个或多个基因的DNA的大部分区域或整个域。染色质调节蛋白能识别这些标记，并执行每种标记指示的任务。

在一些标记域内，这些调节蛋白使DNA紧密盘绕，以致基因永远不能表达。染色体的中心和两端是这些区域的所在处。每一个女性的细胞中有两个X染色体，其中一个是紧密盘绕的，这就确保女性和男性细胞中基于X染色体的基因具有相同水平的活性。

在其它域，这些标记是自由的，它们允许被称为转录因子（transcription factor）的基因调控子在DNA上找到自己的靶向位点。然后，转录因子会“招募”这个复杂的转录机制的其它成员，而这个转录机制可以启动复制基因和制造细胞所需要的蛋白质的过程。在转录机制之前，必须建立一种三级域，以便能让这个三级域沿着DNA滚动，并转录下面基因的信息。

迄今为止，我们只知道少量的域（domain）。目前已在表观基因组中发现了100多种标记，还有附上了或者去掉了每个标记的蛋白质，在某种意义上说，对这些标记指定具体的域是个难题。一些生物学家认为，如此众多的标记需要指定几种域，因为这个系统充满了备份。

在基因组的标记中，表观基因组的角色似乎被建立在一个更古老的包装角色之上。像酵母菌这样的单细胞生物，为了使它的基因组保持在一个特定的区域——细胞核内，需要对基因组进行包装。对多细胞生物体而言，在进化的过程中，为满足不同类型细胞的需要，染色质的包装系统可能逐渐适应对基因组“编入索引”。

DNA包装系统是一个非凡的技术壮举。如果人的细胞的细胞核是一个网球大小的空心球，那么基因组的DNA将是一条大约24英里长的细线。这条线必须装进这个球中并且没有任何损伤。用这样的方法，能够立即找到它的任何区域。

包装系统的中心是一组称为组蛋白（histone）的特殊目的蛋白质。八个组蛋白连接在一起形成一个称为核小体（nucleosome）的小线轴。DNA围着每个核小体差不多缠绕两圈，每圈之间仅有很小的空间。一个普通细胞中的全部DNA，需要包装大约3000万个核小体。

多年以来，生物学家一直设想核小体中的组蛋白为DNA提供了一个被动的结构框架。但是，在过去十年中，人们越来越清楚地认识到事实并非如此。从核小体伸出的组蛋白尾巴，提供了一种标记基因“剧本”的方式。虽然一种标记被直接连在DNA的碱基上，但是100多种其它的标记被固定在组蛋白尾巴的特殊位点。对于细胞分裂，当DNA复制时，这些直接标记仅仅传给两条母链，并且所有的核小体被拆散。然而，细胞有巧妙的方法在两个子代基因组中重建相同的标记。这些标记被称作是表观遗传的，整个系统被称为表观基因组，因为它们尽管不是在DNA中被编码的，但是通过细胞分裂继承得到的。

表观基因组的结构是如何被决定的？每个细胞类型所需要的表观基因组的基本蓝图，似乎在基因组中是固有的。但是，到达细胞的其它信号也能改变表观基因组。因此，表观基因组是基因组与环境相遇之处。

表观基因组的组织结构似乎是从基因组的固有信息中计算出来的。麻省综合医院（Massachusetts General Hospital）的染色质专家布拉德利·伯恩斯坦（Bradley Bernstein）说：“表观遗传的大部分表现都是由DNA序列决定的。”人类基因组包含许多调节基因，这些调节基因产生的蛋白质（即通常所说的转录因子），控制着其它基因的活性。人类基因组中还有一部分主调节基因，主调节基因控制着较低层次的调节基因。主转录因子作用于其它基因，通过这种方式建立了一个线路。这条线路的信息输出，塑造了摆脱受精卵后的表观基因组最初的级联。

表观基因组的其它塑造者是染色质调节子（chromatin regulator）和阅读组蛋白尾巴上标记的蛋白质。一些塑造者将一种给定的标记贯穿整个域，一些塑造者将核小体“捆”在一起以使基因沉默，还有一些将DNA与核小体线轴的结合松开，以便腾出转录机制沿着基因滚动的路径。

过去很长时间生物学家一直设想，一旦染色质调节子塑造了一个表观基因组，那么它们的工作可能无法被复原，因为一个细胞的命运基本上是不可逆的。但是，2007年6月，日本生物学家山中伸弥（Shinya Yamanaka）完成的一个非凡的实验，强调了主转录因子的令人惊讶的力量。

通过将4个主调节基因插入皮肤细胞中，他证实由这些基因制造的转录因子，能够对皮肤细胞的表观基因组“重新编程”，回到胚胎细胞的表观基因组，而皮肤细胞正是从胚胎细胞发育得到的。在这个实验中，皮肤细胞的表现就像一个胚胎细胞，而不是一个皮肤细胞。在此之前，生物学家们还不知道，有上千万个标记的表观基因组能够被如此简单地重塑，也不知道转录因子能够如此明显、果断地发号施令。

但是，随后的研究表明，染色质调节子并不容易征服。在插入了4个转录因子的100万个皮肤细胞中，只有1个皮肤细胞能够完全回复到胚胎状态，大部分皮肤细胞都处于过渡状态，似乎这些染色质调节子正在抵抗细胞中可能的癌变。伯恩斯坦（Bernstein）博士说：“转录因子真正是决定细胞状态的关键因素，但是表观遗传学也是重要的。”

再生医学的理想是，首先把患者的正常体细胞转回到胚胎状态，然后转变成特定的因疾病丢失的细胞。但是为了安全和有效地制备这些细胞，研究人员将可能需要学会如何控制和操纵表观基因组的染色质，以及那些决定细胞识别的转录因子。

许多疾病的治疗可能也在于那些能够操纵表观基因组的药物。瑞特综合征（Rett syndrome，是一种常发生在女童身上的神经系统疾病，其特征是患者出现类似自闭症的行为、运动控制能力丧失、呼吸不规律以及骨骼问题。患此病的女童通常在18个月后才表现出明显的症状——译者注），即一种影响女孩的自闭症，它是由一种基因突变引起的，这种基因产生的酶能够识别直接放置在DNA上的染色质标记。至少在老鼠中，当这个突变被校正后，它的神经元恢复了正常功能。在一些类型的癌症中，肿瘤抑制基因失活不是因为我们通常所知的突变，而是因为标记的错误放置，那些标记会“邀请”染色质调节子来使基因沉默。

南加州大学的彼得·琼斯（Peter A. Jones）研制的药物，可以逆转这些抗肿瘤基因的染色质沉默。近来FDA批准了两个新药，它们治疗一种血液恶性肿瘤（blood malignancy）——骨髓发育不良综合征（myelodysplastic syndrome）。

表观基因组除了可以调节基因组，还可以接收许多来自环境的信号。一个被称为“sirtuins”（sirtuins，主要位于细胞的核仁内，是一种从细菌到人类都高度保守的去乙酰化酶类。人类sirtuins这个家族中公认的成员有7个——译者注）的酶家族监视着细胞的营养状况，且这个家族中的一个成员能从染色质中除去一个特殊的标记，这为基因组应对恶劣的营养状况提供了一个可能的途径。在表观基因组调节中，累积的错误能使错误的基因被表达，这可能导致老化。

在表观基因组上研究标记的一种主要的新技术就是将染色体片段化，然后用结合到特定标记上的抗体来处理这些片段。对这些标识的DNA片段进行解码，并将它们跟人类基因组序列上的位点相匹配。这就提供了一个全基因组图谱，该图谱是关于一个特定的标记在一个特定的表观基因组状态下是如何分布的。这些图被称为芯片-序列图谱（CHiP-seq map），是非常有用的，但是还远不能捕捉到表观基因组的全部细节。表观基因组是一个在几分钟内就会改变的动态结构。

个别研究人员在这方面已经取得了很大进展，但是还没能集合成表观基因组标记和状态的全面的数据，而这对研究治疗疾病和延缓衰老的新方法将是极其有用的。“我认为，要把各种努力组织起来，”杨（Young）博士说，“我们将从中得到更大的好处。”