細(xì)胞分裂的命運(yùn)：變與不變的博弈 | 前沿
? 細(xì)胞通過(guò)分化形成多種類型的細(xì)胞，但不同的細(xì)胞如何維持自身身份？
撰文 | 徐 鵬、于文強(qiáng)（復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院）
責(zé)編 | 葉水送
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大千世界，“變”是永恒的主題，唯一“不變”的就是“變”，構(gòu)成生命體的細(xì)胞也是一樣，在有絲分裂過(guò)程中，必須維持“變”與“不變”的平衡。當(dāng)這種平衡被打亂，細(xì)胞身份將難以維持，要么發(fā)生細(xì)胞重編程，要么細(xì)胞身份紊亂進(jìn)而步入病變甚至癌變的不歸路。一個(gè)細(xì)胞在有絲分裂后變成兩個(gè)細(xì)胞，并不是想象的那么簡(jiǎn)單，正是“變”與“不變”博弈的結(jié)果。
變是生命的本質(zhì)屬性，不變是生命存在的前提
生命如此多元，小到細(xì)菌、螞蟻，大到人類、鯨魚(yú)，它們共同構(gòu)成了這個(gè)多姿多彩的世界。生命的本質(zhì)屬性是什么？有人說(shuō)，生命的本質(zhì)屬性是變化。對(duì)于人類這種多細(xì)胞生物而言，在時(shí)間的維度上，我們從受精卵到個(gè)體（從0到1），隨后經(jīng)歷少年、青年、中年、老年，最終歸于塵土（從1到0）；在空間的維度上，人體內(nèi)包含200多種細(xì)胞，細(xì)胞與細(xì)胞之間又是如此不同，它們?cè)诟髯缘能壍郎现貜?fù)著從0到1再到0的循環(huán)。
從細(xì)胞層面思考，在細(xì)胞分裂過(guò)程中，細(xì)胞遺傳物質(zhì)先進(jìn)行拷貝，平均分配到兩個(gè)子細(xì)胞中去，最后實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的復(fù)制。但為什么肝細(xì)胞分裂后，依然是兩個(gè)肝細(xì)胞；肺細(xì)胞分裂后，依然是兩個(gè)肺細(xì)胞？像這種我們平時(shí)認(rèn)為不是問(wèn)題的問(wèn)題，有個(gè)專有名詞叫做Bookmarking，即細(xì)胞在有絲分裂過(guò)程中存在維持細(xì)胞自身身份的“書(shū)簽”，而這種現(xiàn)象無(wú)疑是通過(guò)表觀遺傳學(xué)進(jìn)行精密調(diào)控的。
在細(xì)胞有絲分裂過(guò)程中存在兩個(gè)重要的核心問(wèn)題：1)細(xì)胞如何在細(xì)胞周期中保持細(xì)胞自己特定的身份（Cell Identity）；2)細(xì)胞通過(guò)什么機(jī)制保證不會(huì)變成其他細(xì)胞。正是這種“變”與“不變”的平衡，共同維持了細(xì)胞身份在有絲分裂中的穩(wěn)定遺傳。
細(xì)胞如何維持自身的身份？
對(duì)于人體內(nèi)的200多種細(xì)胞，每一種細(xì)胞都有其特定的基因表達(dá)模式。廣義上的細(xì)胞身份可以理解為細(xì)胞中基因的時(shí)空表達(dá)模式。而對(duì)于細(xì)胞身份的維持而言，任何一個(gè)活細(xì)胞一定會(huì)處在細(xì)胞周期中的某一個(gè)時(shí)期，即G1期、S期、G2/M期或G0期，但是處在任一時(shí)期的細(xì)胞都需要維持其特定的身份。舉例來(lái)說(shuō)，肝細(xì)胞在細(xì)胞周期的任一時(shí)期都應(yīng)該是肝細(xì)胞，既要表達(dá)肝細(xì)胞特有的基因，且保證不表達(dá)其他器官組織相關(guān)的基因。在G1期、G2/M或G0期比較好理解，帶有組蛋白修飾的核小體纏繞在DNA上調(diào)控基因的表達(dá)，維持細(xì)胞的身份。
但在細(xì)胞周期的S期，事情就變得相當(dāng)復(fù)雜，因?yàn)檫@涉及到另外一個(gè)常識(shí)性的問(wèn)題。在有絲分裂的S期，隨著DNA復(fù)制，DNA雙鏈與組蛋白八聚體緊密纏繞形成的核小體會(huì)滑開(kāi)或者移除，以保證DNA處于開(kāi)放狀態(tài)，進(jìn)行復(fù)制或者必要的轉(zhuǎn)錄。如果表觀遺傳學(xué)因素（包括組蛋白修飾）在細(xì)胞有絲分裂過(guò)程中是維持細(xì)胞身份的決定因素，而此時(shí)的問(wèn)題是，在全基因組水平上核小體缺失的情況下，在S期處于開(kāi)放狀態(tài)的DNA通過(guò)表觀遺傳學(xué)機(jī)制（此時(shí)組蛋白修飾將無(wú)所依附）維持細(xì)胞身份就顯得力不從心，確保細(xì)胞不會(huì)變成其他細(xì)胞就成了“空口承諾”。
核小體缺失，只回答了問(wèn)題的一半
早在2004年，Bradley Bernstein等在研究酵母核小體占位時(shí)，就提出了“啟動(dòng)子區(qū)域核小體缺失”（Nucleosome-depleted promoters）的概念。他們發(fā)現(xiàn)，“核小體缺失的啟動(dòng)子”可提供轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)，進(jìn)而調(diào)控基因表達(dá)。2011年，研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，啟動(dòng)子附近的“核小體缺失區(qū)域”（Nucleosome-depletedregions, NDRs）通過(guò)改變共激活因子結(jié)合位點(diǎn)的覆蓋率，進(jìn)而調(diào)控特定基因的表達(dá)，這提示NDRs可能在細(xì)胞周期中通過(guò)開(kāi)放細(xì)胞特有基因區(qū)域的染色質(zhì)狀態(tài)，進(jìn)而使細(xì)胞自身特有基因得以表達(dá)保證細(xì)胞身份的傳遞。
NDRs的相關(guān)研究?jī)H僅解釋了細(xì)胞為什么可以維持身份，即“如何忠實(shí)做自己”，但不能回答細(xì)胞在有絲分裂后“為何不會(huì)背叛自己”。從邏輯上講，目前只證明了必要性，還缺少充分性的證明。在細(xì)胞分裂過(guò)程中，細(xì)胞只表達(dá)自己特異性的基因?qū)τ诰S持身份是不夠的，它還必須抹除掉其他的可能性，比如肝細(xì)胞中的肺特異性的基因必須被抑制掉，反之亦然。那么問(wèn)題來(lái)了，NDRs只負(fù)責(zé)表達(dá)該細(xì)胞類型特異性的基因，誰(shuí)來(lái)負(fù)責(zé)關(guān)閉或抑制其他細(xì)胞類型特異性的基因呢？
核小體安保區(qū)的發(fā)現(xiàn)，留下諸多科學(xué)問(wèn)題
最近，我們課題組在Human Molecular Genetics發(fā)表文章，發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞周期中（與NDRs相對(duì)應(yīng)）還存在一種“核小體安保區(qū)域”（Nucleosome-Secured Regions，NSRs），提出了NSRs在細(xì)胞周期中與NDRs共同維持了細(xì)胞身份的遺傳，確保細(xì)胞在有絲分裂后不會(huì)背叛自己的身份。
? 核小體安保區(qū)域在維持細(xì)胞身份中扮演的角色
轉(zhuǎn)錄因子的“我要改變命運(yùn)”和NSR的“你先歇著”構(gòu)成細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)換與維持中的主旋律。在細(xì)胞周期整個(gè)過(guò)程中，結(jié)果顯示DNA甲基化幾乎沒(méi)有任何變化，提示DNA甲基化在維持細(xì)胞身份中發(fā)揮重要作用，那么細(xì)胞通過(guò)什么表觀遺傳學(xué)因素使細(xì)胞不會(huì)變成其他細(xì)胞呢，染色質(zhì)在這里會(huì)不會(huì)發(fā)揮作用？我們發(fā)現(xiàn)即使在S期大部分核小體都缺失的時(shí)候，有些區(qū)域核小體鬼使神差的堅(jiān)守在那里，這引起了我們的好奇心，并將這些區(qū)域命名為NSR（Nucleosome-Secured Regions），即核小體安保區(qū)域。有意思的是NSR的區(qū)域與在細(xì)胞周期中不僅穩(wěn)定維持還參與基因的沉默，特別是NSRs主要沉默那些非細(xì)胞自身譜系的基因，比如在肝癌細(xì)胞系HepG2中，NSRs沉默骨骼肌相關(guān)的基因。NSR選擇性沉默基因的功能與NSR區(qū)域富集了細(xì)胞屬性相關(guān)的H3K27me3的修飾有關(guān)。
進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，NSR不僅抑制了其他組織特異性基因的表達(dá)，NSR區(qū)域核小體的聚集也事實(shí)上剝奪了其他足以改變細(xì)胞命運(yùn)的組織特異性的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的機(jī)會(huì)，可謂是一箭雙雕，為細(xì)胞身份的維持上了雙保險(xiǎn)，NSR功能的缺失可能是細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變的前提條件。
我們提出一個(gè)細(xì)胞命運(yùn)決定中的新概念NSRs，并通過(guò)對(duì)不同細(xì)胞周期核小體占位的分析，揭示了NSRs在細(xì)胞身份維持中具有不可或缺的功能，完善了細(xì)胞身份維持的理論體系，提出NSRs和NDRs的共同作用是細(xì)胞身份維持的充分必要條件。但NSR概念的提出，也牽出了更多懸而未決的問(wèn)題亟待回答。
事實(shí)上，表觀遺傳學(xué)因素和轉(zhuǎn)錄因子在細(xì)胞命運(yùn)決定中發(fā)揮什么樣的作用，一直是生命科學(xué)領(lǐng)域爭(zhēng)論不休的話題，盡管有證據(jù)顯示轉(zhuǎn)錄因子在細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)換中發(fā)揮著重要作用，但是NSR的發(fā)現(xiàn)告訴我們，如果轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)被NSR所占據(jù)，即使在細(xì)胞命運(yùn)保護(hù)因素最薄弱的S期，轉(zhuǎn)錄因子依然很難發(fā)揮作用，從而使細(xì)胞命運(yùn)的轉(zhuǎn)換擱淺。
從某種意義上說(shuō)，轉(zhuǎn)錄因子要改變細(xì)胞的命運(yùn)，必須征得NSR的同意，才有發(fā)揮作用的“可乘之機(jī)”?？梢韵胂笠幌拢绻麤](méi)有NSR的保護(hù)，我們細(xì)胞的命運(yùn)將變得飄泊不定，一有風(fēng)吹草動(dòng)，任何一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子都會(huì)輕易改變細(xì)胞的命運(yùn)，組織器官的穩(wěn)態(tài)將難以維持，這對(duì)一個(gè)生命體來(lái)講必然是毀滅性的。
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