Cell：超越DNA的遗传与编程

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来自犹他大学Huntsman癌症研究所（HCI）的研究人员在新研究中发现，父源基因在受精之时已预编程至胚胎所需状态，而母源基因则处于另一种状态，还必须进行重编程才能与之相匹配。这一研究发现对于发育生物学和癌症生物学均具有极其重要的意义。研究论文发表在5月9日的《细胞》（Cell）杂志上。
3 p% q& p, e' w; k; q9 y在最早期阶段，胚胎细胞具有形成所有细胞类型的潜力，这被称之为全能性（totipotency）状态。随后，这种全能性通过分化过程而受到限制。因此，随着细胞继续分化，它们只会生成可能的细胞亚群类型。
文章的共同作者、Huntsman癌症研究所基础科学高级主管Bradley R. Cairns 说：“在癌症中，细胞分化和生长的正常过程出现错误，细胞要么停滞在分化早期，要么倒退并‘重编程’为更像早期胚胎细胞。通过了解细胞正常编程至全能状态的机制，以及它们从全能状态发育为特异细胞类型的机制，我们希望更好地了解癌细胞是如何错误调控这一过程的，并利用这一知识帮助我们制定出策略，来逆转这一过程。”
( X$ h3 ]! g7 c! k6 sCairns实验室早先的研究证实，存在于父亲精子细胞中，对于引导胚胎早期发育至关重要的大部分基因都已经处于‘预备’状态：尽管基因被关闭，但通过附加表观遗传标记可轻易地使基因激活。Cairns说：“从机制上来说，就是所有早期发育的重要决策基因都已做好了准备。这种预备状态在如皮肤细胞等完全分化的细胞中则从未见到过。”
在当前的研究中，Cairns实验室研究人员利用高通量基因测序，全面且精确地分析了斑马鱼基因组的DNA甲基化模式。斑马鱼是一种发育及癌症生物学常用实验室模型。他们对卵细胞、精子细胞和胚胎发育的4个阶段，其中包括受精和胚胎基因组活化中间的3个阶段，以及胚胎基因组活化后的1个阶段进行了检测。甲基化是指将甲基基团选择性添加到DNA的某些区域，从而关闭这些区域中的基因活性的一个过程，它是基因预备状态的一个重要标记；预备基因不发生DNA甲基化，从而使得基因能够在胚胎发育后期活化。
Cairns研究小组发现，即将分化的胚胎期甲基化模式与精子细胞一致。与之相反，卵细胞的模式最初是完全不同的，但经过一组惊人的改变后，变得与精子DNA的模式完全匹配。Cairns的研究工作表明卵细胞DNA经过这一广泛的重编程，才为分化过程做好准备。
* o- g# F# [. l, a. H4 yCairns 说：“母源基因在经历DNA甲基化重编程后，成为了决定胚胎发育最重要的位点。例如，许多的hox基因决定了身体图式（body plan）以及造血过程中的细胞分化，它们在母源遗传物质中甲基化，在父源遗传物质中去甲基化，并且都存在于胚胎中。”
他认为这项研究工作还提供了另一个有趣的研究发现。“我们发现无需用父亲基因组作为模板，母亲基因组可对自身进行重塑。”Cairns的实验证实，当父亲的遗传物质被除去之时，目前的基因组仍然能将自身重塑至正确状态。
Cairns 说：“从根本上说，我们一直试图了解单个细胞做出决定生成任何一种细胞类型的机制。它是一个令人着迷的基础生物学问题，对于发育的所有方面，以及如癌症等疾病的许多方面都具有重要意义。”
  L6 b, }( R2 S* F7 Q7 \相关阅读：
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0 z+ s3 R- _: L9 L& ], \5 N" _原文检索：
Magdalena E. Potok,David A. Nix,Timothy J. Parnell,Bradley R. Cairns. Reprogramming the Maternal Zebrafish Genome after Fertilization to Match the Paternal Methylation Pattern. Cell, 9 May 2013; DOI: 10.1016/j.cell.2013.04.030