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虽然双甲基标记允许胚胎干细胞保持他们的选项开放,所有的双标记基因都是关闭的。当细胞分化时,Polycomb形成的标记被删除,给胚胎干细胞发展成特殊的细胞类型亮起了绿灯。
Polycomb和trithorax甲基标记也许扮演着转录因子寻找停车位的“归航信标”的作用。哈佛大学研究人员调查了9种不同转录因子是如何在胚胎干细胞中行为和相互作用的。在2008年3月21日的《细胞》杂志上,研究小组报告说,Oct3/4、SOX2、NANOG、KLF4和其他3种转录因子往往是合伙拼车,选择那些既有Polycomb又有trithorax标记的基因。这些基因在胚胎干细胞中通常都很活跃,但当细胞分化时都一齐关闭了。
另一方面,只带有一种甲基标记的基因往往会吸引单个的转录因子,或更小的转录因子。这些基因在干细胞中通常是关闭的,但细胞分化时就转为开启。哈佛研究小组报告称,也有少数基因在其组蛋白上则没有甲基族,这些基因大部分会被转录因子忽略。
伯恩斯坦说,还有一些基因在低浓度水平的干细胞中似乎所有时间都是开启的。这些基因也许有助于控制一个细胞的发展路径。
英国剑桥大学发育生物学家约翰·古登说,这类混杂基因活性也能在卵母细胞———不成熟的卵细胞中发现。卵母细胞常常会开启一般在肌肉细胞或其他成体细胞中发现的基因。而且,无需转录因子的帮助,卵母细胞就能做到这一点。这意味着,最早的细胞开启了整个基因组,将DNA和组蛋白剥离成“裸体”。于此,发育就变成了一场关停那些不想要的东西的行动。
争夺遗传“监护权”
关停这些东西的一个方法,就是将甲基族粘附在DNA上。甲基族的粘附动作,关闭了通向基因活性快车道的匝道。在胚胎干细胞中,一些称为CpG岛的调控区域可以自由通行,而基因组中的其他区域则被严重甲基化。
美国加州大学干细胞生物学家路易斯·劳伦特和同事检查了几个不同的胚胎干细胞系中的甲基化模式。研究人员将这些干细胞与许多已分化细胞进行了比较,以察看干细胞是否包含其他隐藏的可将他们与成体细胞区别开来的甲基化模式。
研究小组还将其与细胞中的其他主调节器进行了比较。这些调节器是只有20个字母(基)长的RNA片段。因为尺寸小使他们赢得了小RNA的称号,但这些分子做的工作可不小,控制着细胞中大部分蛋白质的生产。通常小RNA的行为就像是一个建筑监理,关停蛋白质的建设,直到某些条件得到满足。每个小RNA也许可调节成百上千个蛋白质的生产。
在人体的14号染色体上,研究小组发现了一簇小RNA。该簇在胚胎干细胞中是关闭着的。研究小组很快发现为什么会这样,因为在该簇的附近有一个基因,叫做母系表达基因3,它会制作RNA,但不会制作蛋白质。因为一种特殊的化学变化关掉了来自父体的基因副本,所以只有继承自母体的基因副本能被开启。科学家将之称为“印记”。
“印记”类似于遗传“监护权”的斗争。人体继承了几乎所有基因的两个副本,一个来自母体,一个来自父体。大部分时间里,两个副本都能制作RNA和蛋白质。但在少数情况下,只有一个副本激活是重要的,在这种情况下,细胞通过服务于其他带有甲基化标记的基因,来决定哪个父体基因将有此荣幸。在母系表达基因3的例子中,在母体基因制作RNA的同时,父体基因通过甲基化而关闭。小RNA簇以同样的方式被印记,使得只有母体副本被激活。对其他基因来说,这种情形也许是颠倒的。
许多重要基因被印记,平衡被打破就会导致疾病和失调,如天使人综合征(Angelmansyndrome)和普拉德-威利综合征。
奇怪的是,在研究小组检查的每个胚胎干细胞系中,来自母体和父体的染色体都携带一个甲基化标记。一般认为不会发生这样的事。这就像法官判定无论父母哪一方都不能得到孩子的监护权,而孩子只能待在孤儿院一样。由此带来的后果就是,小RNA簇在胚胎干细胞中被静默了。
这样的结果是意想不到的,劳伦特仍在试图弄清甲基化后来是如何从母体染色体上被删除的,从而允许了小RNA的制造。科学家们也还不清楚为什么胚胎干细胞在处理印记时与其他细胞具有如此的不同?
劳伦特说,一种可能就是我们以为已了解了印记,其实我们并没有真正地了解印记;另一种可能则是胚胎干细胞中的印记并不稳定。
尚未完成的使命
这类功能失调家族的斗争也许有助于解释为什么某些克隆动物会出现健康问题。印记缺陷可能也会对利用干细胞治疗人类疾病造成限制。
正如胚胎干细胞做的事不同于成熟细胞,来自其他物种的胚胎干细胞也具有独特的特性。即使人体胚胎干细胞和小鼠胚胎干细胞均取自于看似相同发育阶段的胚胎,细胞的能力也是不同的。人体胚胎干细胞能产生胎盘,而小鼠胚胎干细胞则不能。这似乎表明,就发育意义上说,人体细胞要比小鼠细胞稍稍先进些。
英奇隆和同事已成功地从大鼠胚胎中分离出胚胎干细胞,这是一个30多年来科学家一直试图完成的使命。英奇隆说,大鼠细胞不同于人体细胞,也不同于小鼠细胞,必须在特定条件下才能生长。他已能使大鼠细胞完成人体和小鼠胚胎干细胞能做的几乎任何事,诱导产生约95%的该动物细胞类型。但大鼠细胞尚未形成将产生精子和卵子的细胞,而精子和卵子对于真正的胚胎干细胞分类是至关重要的。
但是,英奇隆也认为着眼于差异对于了解干细胞的工作机制来说只是有限的。研究人员将对人类、大鼠和小鼠的胚胎干细胞进行比较,以观察有何性状是相似的。干细胞对进化来说太重要了,以至于不会在同一个物种中采取不同的行动方针。
英奇隆表示,真正的机制一定会在物种间共享,因此研究人员正在尝试找出其中的共同点。但即使以大鼠和小鼠作导引,科学家们要了解胚胎干细胞用以获取干性的所有秘密成分和技巧,也许仍需很多年。(