表观遗传学

来自美国索尔科生物学研究所，中科院生物物理研究所的研究人员发表了题为“Navigating the epigenetic landscape of pluripotent stem cells”的综述文章，针对干细胞多能性的表观遗传调控机制进行了概括阐述，并展望了未来这一领域的发展方向。相关成果公布在Nature Review Molecular Cell Biology杂志上。

Nature Review Molecular Cell Biology杂志是Nature系列综述期刊之一，最新影响因子为39.123，主要发表本领域具有前瞻性，影响力的重要综述文章。最新这篇文章的第一作者分别为生物物理研究所刘光慧研究员，以及索尔科生物学研究所的李默（Mo Li，音译）。

表观遗传调控，尤其是细胞核内染色体高级组织形式，是目前干细胞研究领域的前沿和热点问题。包括胚胎干细胞和诱导干细胞在内的多能干细胞能利用遗传学和表观遗传学的一种复杂网络，来维持自我更新和多向分化之间的精密平衡。

近期高通量基因组研究工具的发展，极大的促进了多能干细胞表观遗传调控这一研究领域，不断有证据表明一些表观遗传途径，比如DNA，组蛋白和核小体的修饰，存在广泛的串扰。而且一些新型绘图工具（绘制染色体结构和染色体-核基质相互作用的图谱）也首次描绘出了基因组的三维结构，以及一种将已有表观调控基因组数据整合在一起的框架，从而能发现更多关于基因调控的新机制。

研究人员从DNA甲基化、组蛋白修饰、核小体组装、染色体高级结构、染色体同核膜相互作用等水平系统阐述了表观遗传调节多能干细胞“干性（stemness）”的分子机制，并对其人类疾病相关性和该领域的发展趋势进行了探讨和展望。

刘光慧研究员曾最早利用儿童早衰症（progeria）诱导型多能干细胞（iPSC）模型研究了核膜对染色体功能的调控（Liu et al. Nature 2011），并利用第三代腺病毒载体介导的大片段DNA同源重组技术靶向矫正了儿童早衰症iPSC中存在的LMNA点突变，从而逆转了加速衰老的病理表型（Liu et al. Cell Stem Cell 2011）。

新型绘图工具

来自宾州大学首席研究员B. Franklin Pugh教授领导的研究组利用了一种称为核酸外切酶的工具，来去除未有基因调控蛋白结合的DNA序列，从而确定具体的核苷酸序列。

利用这种工具，研究人员能准确了解这些蛋白的位置，并且这种方法还有可能在蛋白调控，或者未能调控整个基因组的时候，进行高分辨率拍摄，从而有助于科学家们解析这些关键的过程。

这种技术就是ChIP-exo，其优于其它技术之处在于其能将结合位点中上百万，上亿的基因组核苷酸，缩小到某个确定的核苷酸，同时ChIP-exo技术还能去除检测系统中的大量背景，低背景技术能分析更多的结合位点，增加2-5倍，为某种蛋白如何调控基因的，提供更加完整的图谱，同时还能加大科学家们对于基因组中这些蛋白结构组织的作用，更广泛的理解。

利用这种技术，研究人员分析了染色质重塑调节因子Isw2的作用机制，真核生物不同于原核生物的一大特点是具有染色质结构，DNA的序列信息被包裹在组蛋白结构中，基因的转录激活需要染色质结构的改变，因此染色质重塑在基因表达调控中扮演了重要角色。

染色质重塑复合物具有多个亚基，这项研究绘制了其中之一Isw2在基因组范围内的组织模式，以及在核小体中的定位情况，从而提出了包含这种亚基在内的染色质重塑复合物的作用新机制。

高通量测序的新发现

来自伊利诺斯大学的研究人员通过一种“比较表观基因组学”在表观遗传学研究方面取得了重要进展。

比较表观基因组学通过对DNA和组蛋白修饰进行种间对比，对调控基因组进行注释，基因组包括了生物体的所有基因，而表观基因组决定哪些基因会表达。基因组学研究长期以来就关注于比较基因组学，通过比较相似物种的基因组寻找其共同特质的调控共性。然而比较基因组学研究能为人们提供更深入的调控功能信息。

研究人员分别在人、小鼠、猪的多功能干细胞中检测了胞嘧啶甲基化等9个表观基因组标志在基因组中的分布，分别为这三个物种建立了表观基因组学图谱并进行了比较。

结果发现不论是进化快还是进化慢的DNA序列，其表观基因组的保守性都很强，但中性进化的序列中除外。而表观基因组和转录组的进化改变成线性关系。研究人员人认为不同表观基因组学标志的保守性能用于发现调控序列。实际上，在胚胎干细胞分化为中内胚层细胞的过程中，研究人员通过七对表观基因组标志识别了其中的调控功能。研究说明，比较表观基因组学能揭示单纯基因组序列比对不能辨别的基因组调控特性。



原文摘要：

Navigating the epigenetic landscape of pluripotent stem cells

Pluripotent stem cells, which include embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells, use a complex network of genetic and epigenetic pathways to maintain a delicate balance between self-renewal and multilineage differentiation. Recently developed high-throughput genomic tools greatly facilitate the study of epigenetic regulation in pluripotent stem cells. Increasing evidence suggests the existence of extensive crosstalk among epigenetic pathways that modify DNA, histones and nucleosomes. Novel methods of mapping higher-order chromatin structure and chromatin–nuclear matrix interactions also provide the first insight into the three-dimensional organization of the genome and a framework in which existing genomic data of epigenetic regulation can be integrated to discover new rules of gene regulation.