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细胞分裂的命运:变与不变的博弈

 
撰文 | 徐鹏 于文强(复旦大学生物医学研究院)
责编 | 叶水送
 
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大千世界,“变”是永恒的主题,唯一“不变”的就是“变”,构成生命体的细胞也是一样,在有丝分裂过程中,必须维持“变”与“不变”的平衡。当这种平衡被打乱,细胞身份将难以维持,要么发生细胞重编程,要么细胞身份紊乱进而步入病变甚至癌变的不归路。一个细胞在有丝分裂后变成两个细胞,并不是想象的那么简单,正是“变”与“不变”博弈的结果。
 
变是生命的本质属性,不变是生命存在的前提
 
生命如此多元,小到细菌、蚂蚁,大到人类、鲸鱼,它们共同构成了这个多姿多彩的世界。生命的本质属性是什么?有人说,生命的本质属性是变化。对于人类这种多细胞生物而言,在时间的维度上,我们从受精卵到个体(从0到1),随后经历少年、青年、中年、老年,最终归于尘土(从1到0);在空间的维度上,人体内包含200多种细胞,细胞与细胞之间又是如此不同,它们在各自的轨道上重复着从0到1再到0的循环。
 
从细胞层面思考,在细胞分裂过程中,细胞遗传物质先进行拷贝,平均分配到两个子细胞中去,最后实现细胞的复制。但为什么肝细胞分裂后,依然是两个肝细胞;肺细胞分裂后,依然是两个肺细胞?像这种我们平时认为不是问题的问题,有个专有名词叫做Bookmarking,即细胞在有丝分裂过程中存在维持细胞自身身份的“书签”,而这种现象无疑是通过表观遗传学进行精密调控的。
 
在细胞有丝分裂过程中存在两个重要的核心问题:1)细胞如何在细胞周期中保持细胞自己特定的身份(Cell Identity);2)细胞通过什么机制保证不会变成其他细胞。正是这种“变”与“不变”的平衡,共同维持了细胞身份在有丝分裂中的稳定遗传。
 
细胞如何维持自身的身份?
 
对于人体内的200多种细胞,每一种细胞都有其特定的基因表达模式。广义上的细胞身份可以理解为细胞中基因的时空表达模式。而对于细胞身份的维持而言,任何一个活细胞一定会处在细胞周期中的某一个时期,即G1期、S期、G2/M期或G0期,但是处在任一时期的细胞都需要维持其特定的身份。举例来说,肝细胞在细胞周期的任一时期都应该是肝细胞,既要表达肝细胞特有的基因,且保证不表达其他器官组织相关的基因。在G1期、G2/M或G0期比较好理解,带有组蛋白修饰的核小体缠绕在DNA上调控基因的表达,维持细胞的身份。
 
但在细胞周期的S期,事情就变得相当复杂,因为这涉及到另外一个常识性的问题。在有丝分裂的S期,随着DNA复制,DNA双链与组蛋白八聚体紧密缠绕形成的核小体会滑开或者移除,以保证DNA处于开放状态,进行复制或者必要的转录。如果表观遗传学因素(包括组蛋白修饰)在细胞有丝分裂过程中是维持细胞身份的决定因素,而此时的问题是,在全基因组水平上核小体缺失的情况下,在S期处于开放状态的DNA通过表观遗传学机制(此时组蛋白修饰将无所依附)维持细胞身份就显得力不从心,确保细胞不会变成其他细胞就成了“空口承诺”。
 
核小体缺失,只回答了问题的一半
 
早在2004年,Bradley Bernstein等在研究酵母核小体占位时,就提出了“启动子区域核小体缺失”(Nucleosome-depleted promoters)的概念。他们发现,“核小体缺失的启动子”可提供转录因子的结合位点,进而调控基因表达。2011年,研究人员进一步发现,启动子附近的“核小体缺失区域”(Nucleosome-depletedregions, NDRs)通过改变共激活因子结合位点的覆盖率,进而调控特定基因的表达,这提示NDRs可能在细胞周期中通过开放细胞特有基因区域的染色质状态,进而使细胞自身特有基因得以表达保证细胞身份的传递。
 
NDRs的相关研究仅仅解释了细胞为什么可以维持身份,即“如何忠实做自己”,但不能回答细胞在有丝分裂后“为何不会背叛自己”。从逻辑上讲,目前只证明了必要性,还缺少充分性的证明。在细胞分裂过程中,细胞只表达自己特异性的基因对于维持身份是不够的,它还必须抹除掉其他的可能性,比如肝细胞中的肺特异性的基因必须被抑制掉,反之亦然。那么问题来了,NDRs只负责表达该细胞类型特异性的基因,谁来负责关闭或抑制其他细胞类型特异性的基因呢?
 
核小体安保区的发现,留下诸多科学问题
 
最近,我们课题组在Human Molecular Genetics发表文章,发现在细胞周期中(与NDRs相对应)还存在一种“核小体安保区域”(Nucleosome-Secured Regions,NSRs),提出了NSRs在细胞周期中与NDRs共同维持了细胞身份的遗传,确保细胞在有丝分裂后不会背叛自己的身份。
 
转录因子的“我要改变命运”和NSR的“你先歇着”构成细胞命运转换与维持中的主旋律。在细胞周期整个过程中,结果显示DNA甲基化几乎没有任何变化,提示DNA甲基化在维持细胞身份中发挥重要作用,那么细胞通过什么表观遗传学因素使细胞不会变成其他细胞呢,染色质在这里会不会发挥作用?我们发现即使在S期大部分核小体都缺失的时候,有些区域核小体鬼使神差的坚守在那里,这引起了我们的好奇心,并将这些区域命名为NSR(Nucleosome-Secured Regions),即核小体安保区域。有意思的是NSR的区域与在细胞周期中不仅稳定维持还参与基因的沉默,特别是NSRs主要沉默那些非细胞自身谱系的基因,比如在肝癌细胞系HepG2中,NSRs沉默骨骼肌相关的基因。NSR选择性沉默基因的功能与NSR区域富集了细胞属性相关的H3K27me3的修饰有关。
 
进一步分析发现,NSR不仅抑制了其他组织特异性基因的表达,NSR区域核小体的聚集也事实上剥夺了其他足以改变细胞命运的组织特异性的关键转录因子结合的机会,可谓是一箭双雕,为细胞身份的维持上了双保险,NSR功能的缺失可能是细胞命运转变的前提条件。
 
我们提出一个细胞命运决定中的新概念NSRs,并通过对不同细胞周期核小体占位的分析,揭示了NSRs在细胞身份维持中具有不可或缺的功能,完善了细胞身份维持的理论体系,提出NSRs和NDRs的共同作用是细胞身份维持的充分必要条件。但NSR概念的提出,也牵出了更多悬而未决的问题亟待回答。
 
事实上,表观遗传学因素和转录因子在细胞命运决定中发挥什么样的作用,一直是生命科学领域争论不休的话题,尽管有证据显示转录因子在细胞命运转换中发挥着重要作用,但是NSR的发现告诉我们,如果转录因子的结合位点被NSR所占据,即使在细胞命运保护因素最薄弱的S期,转录因子依然很难发挥作用,从而使细胞命运的转换搁浅。
 
从某种意义上说,转录因子要改变细胞的命运,必须征得NSR的同意,才有发挥作用的“可乘之机”。可以想象一下,如果没有NSR的保护,我们细胞的命运将变得飘泊不定,一有风吹草动,任何一个转录因子都会轻易改变细胞的命运,组织器官的稳态将难以维持,这对一个生命体来讲必然是毁灭性的。
 
参考文献
1. Bernstein BE, Liu CL, Humphrey EL, et al. Global nucleosome occupancyin yeast. Genome Biol. 2004;5(9):R62.
2. Bai L, Charvin G, Siggia ED, et al. Nucleosome-depleted regions incell-cycle-regulated promoters ensure reliable gene expression in every cellcycle. Dev Cell. 2010,18(4):544-55.
3. Luo H, Xi Y, Li W, et al. Cellidentity bookmarking through heterogeneous chromatin landscape maintenanceduring the cell cycle. Hum Mol Genet. 2017,26(21):4231-4243.
 
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