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主角配角演绎细胞一场戏

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基因可能是细胞核中的主角,但如果没有强有力的配角阵容,它们也将永远无法发光。随着DNA调控剂(增强子)的延展,将帮助基因在正确的时间和位置启动。尽管研究人员像狗仔队追踪好莱坞明星一样详细调查了基因,增强子依然身处幕后,其工作原理仍然成谜。不过,近日举行的遗传学会议可能将改变现状:研究人员描述了这些安静的调停者在哪里以及如何发挥作用。


一个研究小组展示了增强子如何维持在对其他信号敏感的正确水平上,以便其仅在正确的时间和位置打开基因。其他人则探索了细胞如何包裹基因及其增强子,以便它们能恰当合作以及DNA如何形成环路,从而将正确的增强子带给靶基因。这些进展有助于探索基于这些调控因子的治疗策略,关闭生病基因和调大健康基因。


“我们已经讨论了(增强子)很长时间。”瑞士巴塞尔弗雷德里希米歇尔生物医学研究所所长Susan Gasser说,“但现在我们才真正开始理解它们。”


当转录因子和其他蛋白质绑定在增强子DNA的特殊位置时,增强子就会打开基因。通过胡乱修补一个增强子的序列,美国加州大学伯克利分校的Michael Levine和同事发现,原则上,增强子可能对能激活自身的信号更灵敏。他们研究了Otx基因的增强子,该基因作用于神经系统发育。


这种Otx增强子能吸引两个蛋白质,每个都使用一个不同的4碱基序列作为着陆点。在Levine的实验室,Emma Farley随机改变了这些蛋白质结合位置外面的碱基。她制作了Otx增强子的约100万个变种,并将每个变种与充当身份识别“条码”的其他序列和一个报告基因连接。一种名为海鞘的海洋无脊椎动物可以仅通过温和电击提取DNA,因此研究人员能容易地制作数千个与各种增强子结合的转基因海鞘胚胎。


他们发现,增强子能出现相当多的变化,并仍能起作用:约10万变体产生了可检测的增强子活性,并且与原始序列相比,2万变体表现出了更强或更一致的表达。Levine报告指出,这2万增强子变体中最活跃的拥有一个特殊的DNA模式——每个蛋白质结合点的两侧有相同的碱基。


最初,他对原始Otx增强子没有相同且似乎是最佳的侧翼碱基感到迷惑不解。但进一步研究显示,“最佳”增强子实际并非最好:它会在错误组织中不适当地打开Otx。Levine表示,在自然界,“这个增强子是故意的”。“(结合)水平和特异性之间存在一个交易。”他指出,可能会被离群蛋白质分子激活的一触即发的开关,当其应该开启时却无法开启,将为生物体带来风险。


但细胞还有第二个策略,以确保增强子适当运行:将它们与目标基因紧密地“打包”在一起。3年前,马萨诸塞大学医学院生物学家Job Dekker等人报告称,有证据显示,增强子—基因连接并非无序分散的,而是出现在“拓扑结合网络”(TAD)中。他们预计,每个TAD包含少量基因和几十个增强子。


不过,这一理论面临诸多质疑,于是Dekker研究了CFTR基因。在囊胞性纤维症患者体内,这一基因会发生突变。在该团队研究的5种细胞类型中,编码一个离子通道的该基因,会与不同的增强子相互作用。在每种情况下,增强子和基因全被发现于染色体相同的延伸位置。


Dekker 等人表示,TAD可能是限制基因暴露给错误增强子引发的伪激活作用的方式之一,或者它们将有助于确保需要工作的基因同步工作。Levine指出,无论哪种方式,逐渐清晰的是,TAD“是基因组结构和功能的最基本单元”。


这仍留下了一个几何学问题:在一个TAD中,增强子和目标基因通常相距一定距离,那么它们是如何聚到一起的?答案似乎是,在TAD 内的DNA环路会将增强子和基因并置。例如,Dekker发现,5个被研究的细胞类型中有3个能激活CFTR,但是激活作用发生在不同时间和不同条件下,并且形成不同的环路将适当增强子带给基因。


另外,费城儿童医院生物学家Gerd Blobel也报告了其利用修饰基因—增强子环路治疗镰状细胞性贫血的进展。在这种疾病中,产生携带氧气的蛋白质络合物血红蛋白的一个亚组的基因存在缺陷,从而引发红细胞畸形。但身体内还有另一种仅在胎儿发育期活跃的血红蛋白。而数个治疗策略主要致力于提高胎儿血红蛋白的产生。


去年,Blobel研究组报告了他们通过更改名为LCR的增强子与成人血红蛋白基因相连接的环路,下调成人血红蛋白的产生和推动胎儿血红蛋白的增加。Blobel 解释道:“这不是传统的基因疗法和基因修正,而是编辑基因组的折叠方式。”


Blobel在会上表示,与激活胎儿血红蛋白的药物治疗相比,该疗法毒性较低。目前,该研究小组已经开始在携带人类球蛋白基因的转基因小鼠体内测试该方法。但要消除人们对增强子回路重要性的质疑,该研究还有很长的路要走。“我们已经花费数年时间试图证实环路真实存在。”宾夕法尼亚大学分子生物学家Kenneth Zaret说。


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