Genet & Epige:表觀遺傳機制如何調節多種有機體的生命機能

2020-12-06 生物谷

圖片摘自：sgugenetics.pbworks.com

2016年8月8日 訊 /生物谷BIOON/ --幾十億年前，當單細胞生物出現後，自然界就開始了它的實驗，即在不改變DNA序列的情況下如何使得基因功能變得多樣化，DNA藍圖依然處於保守狀態，但其卻可以使基因產物具有不同的功能，隨著多細胞有機體進化產生，使得基因多樣性的過程就由表觀遺傳學機制來完成並且維持了，表觀遺傳學可以通過向DNA添加化學標記或者向圍繞DNA的蛋白添加標記來使得基因具有不同的功能，近來有研究表明，在高度發育的真核生物中，幫助DNA摺疊的蛋白質的這種特殊修飾可以調節吸附到DNA上的化學標記的水平。

近日，一項刊登於國際雜誌Genetics and Epigenetics上的研究報告中，來自波士頓大學醫學院的研究人員通過研究對原核生物（細菌）、簡單的真核生物（多細胞生物）以及高度複雜的原核生物（人類）的表觀遺傳學機制的進化進行了一項比較分析，細菌在數十億年前就開始進化了，在早期階段，自然界就開始了在不改變細菌細胞DNA組織順序的前提下來使其DNA發揮不同的功能，而這就是通過給DNA亞基上添加化學標記來實現的，這種進行吸附的原子基團根據依據有機體而發生變化，簡單的修飾對於細菌存活非常重要，而且也可以幫助細菌抵禦感染，儘管隨著原核生物不斷進化，這種表觀遺傳標記的吸附位點會轉移到DNA的不同亞基上，同時病毒也會利用這種標記過程來不斷改變，比如引發AIDS的HIV病毒，其就可以從摺疊DNA的蛋白上移除特殊的「標記」來躲避機體免疫系統的攻擊。

研究者Sibaji Sarkar表示，我們非常感興趣去觀察並研究自然界如何在細菌到哺乳動物機體中來轉移這些標記的位點，如果我們可以深入觀察到一些原核生物（比如斑馬魚）機體的再生過程，當斑馬魚機體一部分被切掉，其機體中的特殊基因就會提供必要的癒合過程來再生缺失的部分，因此通過研究上述過程研究者或許就可以更加深入地理解幹細胞如何轉化成為組成多種類型器官的組織細胞，很顯然，表觀遺傳學機制就可以調節該過程。

當哺乳動物繁殖時，其所遺傳的DNA序列並不會改變，但從精卵結合開始，每一步都根據一定的規則來進行直到胚胎的組織和器官開始分化產生，在這一過程中不同的基因往往被用作不同的發育過程；比如卵細胞上的化學標記就會在受精後被擦除，隨後被重寫，重寫該過程的蛋白質仍然是由母體卵細胞中摺疊DNA的相同蛋白質來完成的，因此研究者認為，母體摺疊蛋白的特性或許就可以指揮後代DNA中所發生的化學標記（表觀遺傳修飾），我們都知道添加標記的表觀遺傳改變是通過環境因子來調節的，而研究者指出，環境因子和母親的生活方式都會影響後代DNA的化學標記過程，而這將控制後代機體基因被控制的機制，更有意思的是，發生在整個生命過程階段的表觀遺傳改變依賴於個人的生活方式。

文章中研究者描述了，表觀遺傳的改變或許會引發一系列的疾病，包括代謝症候群、心血管疾病、自身免疫疾病、神經性障礙、老化及死亡等。同時文章作者提出了另外一種假設，而這或許就可以解釋癌細胞如何增加促腫瘤基因的拷貝數量，以及其如何減少或剔除抑制腫瘤的基因的數量，研究者Sarkar補充道，癌細胞很有可能攔截了正常細胞中的特殊機制，而這種機制可以幫助闡明如何通過在標記尾部切斷DNA並且對其修復來使得甲基化的DNA實現脫標記。

「加標記」的表觀遺傳過程可以被多種有機體（從細菌到人類）利用，而這其中所涉及的機制對於深入理解細胞的正常功能以及一些違背正常行為的過程如何引發疾病也提供了新的研究線索和希望，後期研究者將繼續深入對此進行研究。（生物谷Bioon.com）

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The Evolution of Epigenetics: From Prokaryotes to Humans and Its Biological Consequences

Sibaji Sarkar, Amber Willbanks, Molly Greenshields, Camila Tyminski, Sarah Heerboth, Karolina Lapinska, Kathryn Haskins, Meghan Leary.

The evolution process includes genetic alterations that started with prokaryotes and now continues in humans. A distinct difference between prokaryotic chromosomes and eukaryotic chromosomes involves histones. As evolution progressed, genetic alterations accumulated and a mechanism for gene selection developed. It was as if nature was experimenting to optimally utilize the gene pool without changing individual gene sequences. This mechanism is called epigenetics, as it is above the genome. Curiously, the mechanism of epigenetic regulation in prokaryotes is strikingly different from that in eukaryotes, mainly higher eukaryotes, like mammals. In fact, epigenetics plays a significant role in the conserved process of embryogenesis and human development. Malfunction of epigenetic regulation results in many types of undesirable effects, including cardiovascular disease, metabolic disorders, autoimmune diseases, and cancer. This review provides a comparative analysis and new insights into these aspects.

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