表观遗传学

在分子水平上到底发生了什么才会使得干细胞成为一种细胞类型而非另一种？在什么时间点它被注定了细胞命运？而它又是如何被注定命运的呢？直到现在这些问题仍是待解之谜。近日来自加州理工学院的一个研究团队在新研究追踪了确保干细胞分化成为免疫系统重要细胞T细胞的逐步发育过程，这一成果标志着我们在理解干细胞命运方面又向前迈出了重要的一步。相关研究论文在线发布在4月13日的《细胞》（Cell）杂志上。

该研究的首席研究员、加工理工学院生物学教授Ellen Rothenberg说：“这是第一次这样详细地，一步一步地解析自然发育的过程，检测了基因组中所有基因的活性。这意味着就基因而言，该系统中的所有的东西都无所遁形。“

文章的第一作者是Rothenberg实验室的研究生Jingli A. Zhang，他现在是加州理工学院的博士后学者。

在这篇文章中，研究人员针对多能造血前体细胞展开了研究。多能造血前体细胞是一类干细胞样细胞，表达各种各样的基因，并能够分化形成多种不同的血液细胞类型，包括免疫系统细胞。从整个小鼠基因组着手，研究人员精确筛查了这一前体细胞转变为命中注定的T细胞过程中所有发挥了作用的基因，并鉴别了在发育过程中这些基因各自开启的时间点。同时，研究人员还追踪了可引导前体细胞通往各种替代信号通路的基因。研究结果还揭示了T细胞发育过程促进其他命运的基因关闭的时间和方式。

Rothenberg 解释说：“T细胞基因是否是在促进一些特异性替代的基因关闭之前开启的？或是以其他的顺序？哪些基因首先开启？哪些基因首先关闭？这些一直是我们过去想了解的问题。在大多数全基因组研究中，你很难有能力了解发育进程中第一、第二、第三等等逐步发生的事件。而如果你想了解这样一个复杂的过程建立这些前后关系是绝对至关重要的。”

在新研究中，研究人员对生成T细胞的一系列分子事件中的五个阶段进行了解析，包括细胞定型前两个阶段、定型阶段以及定型之后的两个阶段。他们鉴别了在所有这些阶段表达的基因，包括大量编码转录因子的基因，这些转录因子在开启或关闭特定基因中起重要作用。他们发现大部分调控转换发生在第二阶段和第三阶段之间，此时T细胞定型开启。大量激活未定型干细胞相关基因的转录因子基因关闭，而其他一些激活T细胞发育下一阶段所需基因的转录因子基因开启。

研究人员不仅检测了在不同的阶段哪些基因获得了表达，还鉴别了有可能导致这些基因在特定时间表达的因素。转录因子自身的表达就是一个关键的调控元素。除此之外，研究人员还颇有兴趣地鉴别了基因的调控序列，基因上的这部分序列主要是充当转录因子的停泊位点。采用常规的分子生物学技术通常很难鉴别在小鼠和人类中的这些序列，研究人员耗费了10年的时间致力于构建出单个基因调控序列的综合图谱。

为了构建出可能的调控序列图谱，Jingli A. Zhang对表观遗传学标记进行了研究。通过鉴别表观遗传学标记添加或清除的DNA区域，Rothenberg研究小组为研究人员鉴别T细胞发育过程中大量开启或关闭基因的调控序列铺平了道路。

Rothenberg说从某种意义上说，她的团队采用的是一种反向的方法来解析这些对照序列的定位问题。“我们要说的是，如果我们能够根据生成的RNA推断出在某个时间点开启的基因，我们就应该能够观测这一基因周围的这些DNA序列，解析是否同时还有DNA序列添加或丢失了表观遗传学标记。如果我们能找到它，那将成为用于开启这一基因的真正的热点候选调控序列，”Rothenberg说。

原文摘要：

Dynamic Transformations of Genome-wide Epigenetic Marking and Transcriptional Control Establish T Cell Identity

T cell development comprises a stepwise process of commitment from a multipotent precursor. To define molecular mechanisms controlling this progression, we probed five stages spanning the commitment process using RNA-seq and ChIP-seq to track genome-wide shifts in transcription, cohorts of active transcription factor genes, histone modifications at diverse classes of cis-regulatory elements, and binding repertoire of GATA-3 and PU.1, transcription factors with complementary roles in T cell development. The results highlight potential promoter-distal cis-regulatory elements in play and reveal both activation sites and diverse mechanisms of repression that silence genes used in alternative lineages. Histone marking is dynamic and reversible, and though permissive marks anticipate, repressive marks often lag behind changes in transcription. In vivo binding of PU.1 and GATA-3 relative to epigenetic marking reveals distinctive factor-specific rules for recruitment of these crucial transcription factors to different subsets of their potential sites, dependent on dose and developmental context.