还有“永生”的DNA链？（3）

朱钦士 （美国南加州大学医学院）

（上接2021年第5 期第17 页）

7 干细胞还选择性地保留表观遗传修饰

细胞的命运和性质归根结底是由基因的表达状况决定的。动物体内所有的细胞都含有完全相同的DNA，之所以有些细胞成为未分化或分化程度较低的干细胞，有些细胞成为组成身体的各种体细胞，就是因为这些细胞中基因表达的情形不一样。不同的基因表达生成不同的蛋白质，执行不同的功能，使得每种细胞都有其特性。

在这方面，保留DNA“原始文件”中核苷酸的序列无疑非常重要，它保证基因表达的产物，蛋白质中氨基酸的序列保持不变，也保证基因“开关”的序列保持不变。但影响基因表达状况的，不仅是DNA 的核苷酸序列，还有DNA 序列中碱基被修饰的状况和与DNA 结合的蛋白质被修饰的状况。这些修饰发生在核苷酸的序列之外，称为“表观遗传修饰”（epigenetic modifications），其中的“epi-”就是“上”和“外”的意思。

DNA 序列中碱基的修饰主要是在一些胞嘧啶（cytosine）的5 位加上1个甲基（-CH3），称为DNA 的“甲基化”（methylation），其作用主要是屏蔽基因的启动子，使其不能发挥功能。基因的启动子（promoter）也是DNA 序列，通过结合转录因子（transcription factors，控制基因开关的蛋白质）发挥作用。不同的转录因子有不同的结合序列，例如，转录因子AP-1 的结合序列为5′-TGACTCA-3′，转录因子SP1 的结合序列为5′-GGGCGGG-3′。不同基因的启动子含有不同的转录因子的结合序列，使得每种基因在细胞中都有其独特的表达方式。胞嘧啶的甲基化，相当于给这个碱基戴顶“帽子”，使得转录因子“不认识”原的结合序列，基因表达也会受到影响。启动子区域胞嘧啶的甲基化一般都与基因的表达程度降低有关。

除胞嘧啶的甲基化，胞嘧啶还可被羟甲基化，即在胞嘧啶上加上1 个羟甲基（HOCH2-），其功能主要是控制DNA 的甲基化程度。

表观遗传修饰的第2 种类型是对组蛋白加以修饰，其中又包括多种形式，例如，甲基化、乙酰化与磷酸化。真核细胞中的DNA 并不是裸露的，而是和组蛋白（histones）结合，组成“染色质”（chromatid）。与DNA 结合的组蛋白主要有4 种，分别是H2A、H2B、H3 和H4，它们在一起组成球形的8 聚体，其中每种组蛋白有2 个分子。在细胞分裂时，染色质高度浓缩，才成为在显微镜下容易观察到的“染色体”（chromosome）。前文谈及的细胞分裂时DNA 的分配，其实是分裂期染色体的分配，分配的不仅是DNA，还包括与之结合的组蛋白及其修饰状态。

组蛋白的修饰状态对基因表达也有很大的影响。如果染色质的一部分是紧密包裹的，这部分的DNA 就被“隐藏”，转录因子无法与启动子结合，基因也无法表达。使染色质松弛的一种手段就是组蛋白的乙酰化，在赖氨酸侧链的氨基（-NH3+）上加上乙酰基（CH3CHO-）。氨基在中性pH 值条件下是带正电的，有助于组蛋白与带负电的DNA 结合。在氨基上加上乙酰基，相当于是“屏蔽”氨基所带的正电，使得组蛋白与DNA 的结合不太紧密，染色质散开，DNA 链暴露出，转录因子和RNA 聚合酶就可结合至基因上，启动基因的表达。

除组蛋白的乙酰化，组蛋白中侧链上的赖氨酸和精氨酸上的氨基还可被甲基化，而且在氨基上还可加上不止一个甲基。这些被甲基化的氨基多数成为其他蛋白或蛋白复合物的“招募”点，使它们参与染色质有关的各种活动，例如，组蛋白4（H4）第20 位的赖氨酸加上一个甲基（H3K4me1，其中K 代表赖氨酸，me 代表甲基methyl，1 表示加上一个甲基）使染色质包裹紧密，抑制基因表达，在同一个氨基上加上2 个甲基（H3K20me2）与DNA 损伤的修复有关，而在H3 第4 位的赖氨酸上加上2 个或3 个甲基（H3K4me2 和H3K4me3）就与基因的活化有关。

组蛋白中丝氨酸（serine）、缬氨酸（threonine）和酪氨酸（tyrosine）上的羟基（-OH）上还可加上一个磷酸根，称为组蛋白的磷酸化（histone phosphorylation）。与甲基化的赖氨酸和精氨酸的作用类似，这些磷酸化的氨基酸也作为其他蛋白的招募点，参与和染色质有关的各种活动。例如，H2第32 位的丝氨酸的磷酸化（H2S32ph，其中S 代表丝氨酸，ph 代表磷酸根）就与上皮生长因子（EGF）基因的表达有关，H3S10ph 和H2BS32ph 就与c-fos、c-jun和c-myc等基因的表达有关。

干细胞和体细胞在组蛋白的修饰上各有特点，因此，干细胞所保留的高“辈分”的DNA，其实也包括这份DNA 的甲基化状况和与之结合的组蛋白的修饰状况。由于细胞的特性是由基因表达状况决定的，保留干细胞原的表观遗传修饰，也就保留干细胞的特性。

例如，2013年，美国波士顿生物医学研究所的James Sherley 用BrdU 标记小鼠毛囊细胞，在96 h（大约4～5 次细胞分裂）后用免疫荧光染色法检查甲基化胞嘧啶和羟甲基化胞嘧啶的含量，发现保留BrdU 信号的细胞，即毛囊干细胞，富含羟甲基化的胞嘧啶，而细胞对中的另一个细胞（即要进行分化的细胞）含有很少的BrdU 信号和羟甲基化的胞嘧啶。甲基化的胞嘧啶的含量在2个细胞核中的含量则差别不大，说明含“永生”DNA 链的染色质富含羟甲基化的胞嘧啶。

（待续）