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麻省理工學院的新研究揭示了細胞身份和表觀遺傳學記憶

麻省理工學院的新研究揭示了細胞身份和表觀遺傳學記憶
  • 麻省理工學院的一項新研究理論化了細胞如何在世代相傳中保持其身份,表明細胞的 3D 基因組結構指導細胞分裂過程中失去的表觀遺傳標記的恢復。 
  • 基因組的 3D 折疊對於細胞儲存和傳遞應表達基因的細胞記憶的能力至關重要。
  • 這種機制使細胞能夠記住它們的特定類型,這對於理解疾病和老化過程具有重要意義。 

本文發表於SciTechDaily.com:
麻省理工學院的研究表明,基因組的 3D 折疊是細胞儲存和傳遞它們應該表達的基因「記憶」的能力的關鍵。

人體的每個細胞都包含相同的遺傳指令,編碼在其 DNA 中。 然而,在大約 30,000 個基因中,每個細胞僅表達成為神經細胞、免疫細胞或體內其他數百種細胞類型中的任何一種所需的基因。

每個細胞的命運很大程度上取決於裝飾其 DNA 的蛋白質的化學修飾。 這些修飾反過來控制哪些基因被打開或關閉。 然而,當細胞複製DNA進行分裂時,它們會失去一半的修飾,這就留下了一個問題:細胞如何維持它們應該是什麼樣的細胞的記憶?

基因組摺疊與細胞記憶
麻省理工學院的一項新研究提出了一個理論模型,有助於解釋這些記憶在細胞分裂時如何代代相傳。 研究小組表明,在每個細胞的細胞核內,其基因組的 3D 折疊決定了基因組的哪些部分將被這些化學修飾標記。 細胞複製其 DNA 後,標記會部分流失,但 3D 折疊使細胞能夠輕鬆恢復維持其身份所需的化學標記。 每次細胞分裂時,化學標記都會使細胞恢復其基因組的 3D 摺疊。 這樣,透過在 3D 折疊和標記之間兼顧記憶,記憶可以在數百次細胞分裂中保存下來。

「細胞類型差異的關鍵方面是不同的基因被打開或關閉。 將一種細胞類型轉化為另一種細胞類型非常困難,因為這些狀態非常固定,」該研究的主要作者、22 屆博士 Jeremy Owen 說。 “我們在這項工作中所做的是開發一個簡單的模型,突出細胞內化學系統的定性特徵以及它們需要如何工作才能使基因表達的記憶穩定。”


麻省理工學院醫學工程與科學研究所和物理系教授 Leonid Mirny 是該論文的高級作者,該論文最近發表在該雜誌上 科學。 迪諾·奧斯馬諾維奇(Dino Osmanović)是麻省理工學院生命系統物理中心的前博士後研究員,也是這項研究的作者之一。

維持表觀遺傳學記憶

在細胞核內,DNA 包裹在稱為組蛋白的蛋白質周圍,形成稱為染色質的密集結構。 組蛋白可以顯示多種修飾,有助於控制特定細胞中表現的基因。 這些修飾會產生“表觀遺傳記憶”,幫助細胞維持其細胞類型。 然而,這種記憶如何傳遞給子細胞仍然是個謎。

Mirny 實驗室先前的工作表明,染色體的 3D 結構在很大程度上是由這些表觀遺傳修飾或標記決定的。 特別是,他們發現某些染色質區域帶有告訴細胞不要讀取特定 DNA 片段的標記,它們相互吸引並形成稱為異染色質的密集團塊,細胞難以接近。

在他們的新研究中,米爾尼和他的同事想要回答這些表觀遺傳標記如何代代相傳的問題。 他們開發了一種具有一些標記區域的聚合物計算模型,並發現這些標記區域相互塌陷,形成密集的團塊。 然後他們研究了這些分數是如何丟失和獲得的。

當一個細胞複製其DNA並將其分配給兩個子細胞時,每個副本都會獲得大約一半的表觀遺傳標記。 然後,細胞需要在 DNA 傳遞給子細胞之前恢復失去的標記,而染色體的折疊方式可以作為這些剩餘標記應該去向的藍圖。

這些修飾是由稱為“讀寫器”酶的特殊酶添加的。 這些酶中的每一種都針對特定標記,一旦它們「讀取」現有標記,它們就會在附近位置「寫入」附加標記。 如果染色質已經折疊成 3D 形狀,則標記將累積在已經具有從親代細胞繼承的修改的區域中。

「有幾個證據表明傳播可以在 3D 中發生,這意味著如果有兩個部分在空間中彼此靠近,即使它們在 DNA 上並不相鄰,那麼傳播也可以從一個部分發生到另一個部分” ,」歐文說。 “這就是 3D 結構如何影響這些標記的傳播。”

這個過程類似於傳染病的傳播,因為染色質區域與其他區域的接觸越多,它被修改的可能性就越大,就像一個人隨著接觸次數的增加而更容易被感染一樣。 在這個類比中,標記染色質的密集區域就像人們有很多社交互動的城市,而基因組的其餘部分則相當於人口稀少的農村地區。

米爾尼說:“這本質上意味著標記將在密集區域中擴散,而在其之外的任何地方都將非常稀疏。”

參考文獻:“3D 表觀遺傳記憶系統的設計原理”,Jeremy A. Owen、Dino Osmanović 和 Leonid Mirny,2023 年 11 月 17 日, 科學.
DOI:10.1126/science.adg3053
該研究由美國國家人類基因組研究所、美國國家普通醫學科學研究所和美國國家科學基金會資助。



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