Science重要成果：从表观遗传入手编程细胞的记忆

　　由加州理工学院生物学家Michael Elowitz领导的一个研究小组，朝着利用细胞自然进化出的工具来重编程那样的细胞记忆迈出了重要的一步。通过结合合成生物学方法及追踪个别细胞行为的时间推移摄影术，他们确定了4种染色质调控因子建立及控制了细胞维持一种基因表达特殊状态——记住它的能力，甚至在建立这种状态的信号消失后。

　　

生物通报道   如果我们可以编程活细胞，让其做我们想要它们在体内完成的工作将会怎样？拥有这样的控制权是合成生物学的一个主要目标（Nature methods：合成生物学 ），其将帮助开发出一些细胞疗法，在某一天有可能替代传统药物来治疗诸如癌症等疾病。为了达到这个长远的目标，科学家们必须首先学会编程细胞所做的许多重要事情，例如彼此通讯，改变它们的命运成为特异的细胞类型，记住它们遭遇的化学信号等。

现在，由加州理工学院（Caltech）生物学家Michael Elowitz领导的一个研究小组（Science揭示免疫细胞生成的秘密 ），朝着利用细胞自然进化出的工具来重编程那样的细胞记忆迈出了重要的一步。通过结合合成生物学方法及追踪个别细胞行为的时间推移摄影术，他们确定了4种染色质调控因子建立及控制了细胞维持一种基因表达特殊状态——记住它的能力，甚至在建立这种状态的信号消失后。

研究人员将他们的研究结果发布在2月12日的《科学》（Science）杂志上。

Caltech 生物学和生物工程学教授、霍华德休斯医学研究所（HHMI）研究员Elowitz说：“我们对一些最重要的染色质调控因子进行了测试，不仅了解了自然状况下利用它们的机制，还知道了每一个提供的特殊能力。我们正在摆弄它们以了解可以让它们为我们做什么。”

并非靠单个蛋白来编程所有的基因表达“记忆”，动物细胞利用了成百上千不同的染色质调控因子（Cell：染色质调控因子组合图谱 ）。这些蛋白每个基本上都是在做相同的事情——它们修饰DNA区域来改变基因表达。这提出了一个问题：为什么细胞需要所有这些不同的染色质调控因子？是这一系统中构建了大量冗余，还是每个调控因子实际上都在做独特的事情。如果是后者的话，合成生物学家想知道如何能够最好地利用这些调控因子来作为工具，如何选择理想的蛋白获得某种效应或一种特殊的细胞记忆。

为了寻找答案，研究人员转而借助了Elowitz称作为“构建起来获得了解”的一种方法。并没有从复杂的过程入手，而是尝试拆散了它的组件，研究人员由下而上构建出了目标生物学系统，为他们提供了一个机会真实地观察伴随他们诱导的每种改变发生了什么。

在这种情况下，是将不同的染色质调控因子——4种基因沉默蛋白放到了一段特殊DNA上，观察每一个的表现。为此，研究人员改造了细胞使得添加一种小分子可导致一个基因沉默调控因子结合荧光蛋白编码基因附近的DNA。通过追踪个别细胞中的荧光，研究人员可以很容易地确定这一调控因子是否关闭了该基因。研究人员还可以从DNA上释放这一调控因子，看看基因记住其效应的时间长短。

尽管有成百上千的染色质调控因子，它们可以被分为十多个更广泛的类型。在这项研究中，研究人员测试了4种生物化学各异类型的调控因子。

Lacramioara Bintu说：“我们进行了各种尝试，看不同的调控因子是否会赋予不同类型的行为。结果表明它们确是如此。”

在一个月的时间里，研究人员利用显微镜或流式细胞仪观察了活细胞，利用细胞追踪软件和时间推移摄像观察了个别细胞的生长和分裂。在某些情况下，当释放一个调控因子后，细胞和它们的子细胞会数天保持黑暗，然后再发光，表明它们短暂地记住了这种修饰。在另外一些情况下，细胞不再发光，表明有更持久的记忆。

修饰后的基因总是处于三种状态其中的一种——“醒着”并积极地合成蛋白，“睡着”、不活化但能够在几天内醒来，或是“陷入昏迷”在30天内无法醒来。在单个细胞中，基因总是处于完全开启或关闭状态。

这使得研究人员获得了惊人的发现：调控因子控制的并非是单个细胞中一种特殊基因的表达水平或程度，而是在群体中有多少细胞基因开启或关闭。

Elowitz说：“你控制的是打开或关闭某事物的概率。我们认为这对于多细胞生物非常有用——在许多情况下，生物体或许想告诉细胞，‘我只是想30%的细胞分化。不需要所有细胞来做这件事。这一染色质调控系统看起来为这样的命令做好了准备。’”

此外，研究人员发现， 4种染色质调控因子每个给予的记忆类型都是不同的。“一个生成了持久的记忆，在整30天内关闭了基因，让部分细胞陷入昏迷。一个生成了短期的记忆，细胞很快就醒来。Bintu说：“我们发现真正有趣的事情是，一些调控因子提供了混杂的记忆：某些细胞醒着而一部分的细胞仍然陷入深度昏迷。多少细胞陷入昏迷取决于你提供信号的时间——即染色质调控因子附着的时间。”

未来，该研究小组计划以相同的方式研究其他的染色质调控因子，更好地了解细胞利用它们的许多方式，及它们有可能组合发挥作用的机制。从长远来看，他们想将这些蛋白与其他细胞元件放到一起，开始在合成回路中编程更复杂的发育行为。

Elowitz说：“这是朝着时间可编程细胞疗法这一远景迈出的一步。但我们也在解答更多基础的问题。我们看到了一个硬币的两名。在我们了解核心信号通路提供的功能之前我们将无法有效地编程细胞。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Dynamics of epigenetic regulation at the single-cell level

Chromatin regulators play a major role in establishing and maintaining gene expression states. Yet how they control gene expression in single cells, quantitatively and over time, remains unclear. We used time-lapse microscopy to analyze the dynamic effects of four silencers associated with diverse modifications: DNA methylation, histone deacetylation, and histone methylation. For all regulators, silencing and reactivation occurred in all-or-none events, enabling the regulators to modulate the fraction of cells silenced rather than the amount of gene expression. These dynamics could be described by a three-state model involving stochastic transitions between active, reversibly silent, and irreversibly silent states. Through their individual transition rates, these regulators operate over different time scales and generate distinct types of epigenetic memory. Our results provide a framework for understanding and engineering mammalian chromatin regulation and epigenetic memory.