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绘制干细胞命运转换表观遗传动态图

日期:2014-08-13 00:00:00

在大家的体内每天都有万亿的血细胞形成:从携氧红细胞到多种类型对抗病原体和感染的白细胞。所有这些高度特化的细胞都源自于造血干细胞——这种独特的细胞具有发育成为所有血细胞类型的潜力(延伸阅读:Cell发布细胞重编程重大突破)。然而,这些干细胞的命运究竟是如何受到调控的?

借助于开发的一种表观遗传分析新技术,Weizmann研究所和希伯来大学的科学家们取得的一些初步研究结果,重塑了对于干细胞命运决定控制方式的传统认知。了解细胞命运的表观遗传机制可促成解密免疫疾病、贫血、白血病等等许多疾病的分子机制。它还提供了强有力的支撑,证实一些环境因素和生活方式在塑造大家的命运中发挥突出的作用。

干细胞变为特化成熟血细胞,这一分化过程受到一系列级联事件的调控:一些特异的基因按照高度受控及精确的顺序被开启和关闭。这一过程的某些指令包含在一些短调控序列的DNA中。这些调控区域通常被称作为组蛋白的特殊蛋白所掩盖,处于一种“关闭”状态,来防止不必要的激活。为了接近并“激活”这些指令,需要通过对组蛋白进行表观遗传修饰来“揭开”这一DNA掩盖物,由此必要的机器才能读取这一密码。

在发表于《科学》(Science)杂志上的一篇新论文中,Weizmann研究所免疫学部的Ido Amit和David Lara-Astiaso博士,以及耶路撒冷希伯来大学的Nir Friedman和Assaf Weiner教授,第一次绘制了血细胞发育过程中的组蛋白动态图。

Amit说:“由于受到技术的限制,无法很好地检测发育过程中的开启或关闭状态,对于调控干细胞命运的事件仍然不是很清楚。”当前的技术要求采样数百万细胞,才能精确地检测和分析细胞的表观遗传状态;而造血干细胞远达不到这一数量。此外,发育的每个阶段都是转瞬即逝的事件,并且极难观察这些调控区域。

现在利用科学家们开发的新表观遗传分析技术,只需抽样并精确分析少量(少至500)个细胞。“利用这一强大的方法,大家鉴别了确切的DNA调控序列,以及参与控制干细胞命运的各种调控蛋白——阐明了生命基本程序从前不为人所知的部分,”Friedman说。

他们的研究还得到了一些出乎意料的结果:多达50%的这些调控序列是在细胞发育中期被建立及开放。这意味着,在人们原认为细胞命运已被设置的一些阶段表观遗传仍活跃。Lara-Astiaso说:“这改变了大家对于造血干细胞命运决定过程的整体理解。表明这一过程比以前认为的更加动态和灵活,给予了细胞略多一些的余地在后期根据环境改变决定转变成什么细胞类型。”

尽管该研究是在小鼠造血干细胞上完成,科学家们认为这一机制可能也适用于其他的细胞类型。“这一研究给干细胞领域带来了极大的兴奋鼓舞,它为研究人类中的这些调控元件奠定了基础,”Weiner说。

发现控制干细胞命运的确切DNA调控序列以及了解它的机制,为未来开发诊断性工具、个体化药物、潜在的治疗和营养干预,以及甚至是再生医学,重编程定型细胞,恢复这些细胞全部的干细胞潜能带来了希翼。

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