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顛覆認知!Science:新論文改寫「細胞分裂」基因表達理論

11月
19
2017

2017年11月19日10時 今日科學 生物探索

生物探索

生物探索編者按

2017年上半年,「肺部具有造血功能」、「DNA複製與我們想像的並不同」等改寫教科書的發現引發了強烈關注。近日,一篇發表在Science雜誌上的論文再次顛覆了傳統認知。來自美國賓夕法尼亞大學的科學家們證實,先前學界提出的細胞分裂期間的基因表達理論是有誤的。

圖片來源:網絡

細胞分裂是一切生物生長、發育、繁殖的基礎,主要包括有絲分裂、減數分裂和無絲分裂。長期以來,研究者們認為,在細胞分裂期間,基因會變得「沉默」,不會被轉錄成蛋白質或調控分子(regulatory molecules)。這一觀點引發的一個思考是:在細胞分裂後,基因是如何正確地重新激活的呢?

在這項新研究中,科學家們發現,在細胞複製期間,基因表達實際上仍在繼續,並未徹底「暫停」。

Kenneth S. Zaret, Ph.D(圖片來源:Zaret Laboratory)

1關鍵方法

論文的通訊作者Kenneth S. Zaret博士說:「我們知道,人體中被發現的不同細胞類型有200種左右。一個細胞表達的基因決定了它究竟是皮膚細胞、神經細胞,還是心肌細胞。我們最初的研究目標是,弄清楚細胞如何從『沉默的基因狀態』轉變為『完全激活的基因狀態』,從而決定自己的『最終身份』,即,是哪種細胞類型。」

Zaret博士實驗室的Katherine C. Palozola在解開這一「謎題」中發揮了關鍵作用,因為她首次找到了一種在分裂期間觀察活細胞中基因活性的方法。使用人類肝臟細胞系,她標記了核酸尿苷(nucleic acid uridine),從而據此來觀察哪些基因在細胞複製期間依然是活躍的。

Katherine Palozola(圖片來源:Zaret Laboratory)

2驚人發現

「令我們感到驚訝的是,儘管水平很低,但在複製期間,基因表達其實仍在繼續。」Palozola說。

具體來說,研究發現,儘管在細胞複製期間,染色體非常緊湊(小貼士:有絲分裂前期,細胞內鬆散的染色質會凝縮成染色體),調控分子的序列被「埋藏」,且先前被假定無法被轉錄,但大多數基因以及它們的附近區域依然在積極地表達。

Image of chromosomes in uncondensed form (left) and condensed form in dividing cell (right).Credit: The lab of Ken Zaret, PhD, Perelman School of Medicine, University of

Pennsylvania

此外,研究人員還發現了細胞在分裂結束後是如何「覺醒」,並回憶起「它們是誰」的。原來,最終驅動細胞分化(指同一來源的細胞逐漸產生出形態結構、功能特徵各不相同的細胞類群的過程)的是增強子序列。

增強子是指增加同它連鎖的基因轉錄頻率的DNA序列,可以位於基因的5』端,也可位於基因的3』端,有的還可位於基因的內含子中。增強子的效應很明顯,一般能使基因轉錄頻率增加10~200倍,有的甚至可以高達上千倍。在先前的一項研究中,其它科學家團隊曾證實,在細胞分裂期間,增強子會「小睡」約30分鐘,然後在一個細胞分裂周期結束後再次「上線」。

3作者點評

Zaret博士總結道:「關於這項研究,最令人驚訝的是,它讓我們不得不「拋棄」那些我們曾以為正確的基因調控方面的基本認識。我們希望,最終,基於這一成果以及後續研究能夠提高我們改變細胞『身份』的能力,為科學研究和開發治療方案創造新的細胞和組織。」

End

參考資料:1)Mitotic transcription and waves of gene reactivation during mitotic exit

2)How does a cell maintain its identity during replication?

3)細胞分裂

4)增強子

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