细胞命运

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》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，实验室试剂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，你很难有培养基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实验室仪器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。

RNA可改变细胞转导通路的线路 人们常说，激发改变的最好的方法是从系统内着手。 现在，研究人员基于RNA创建了控制装置，该装置可被用来以合成的方式重新为细胞行为排布线路，使得这些细胞对药物更为敏感而造成其死亡。 这一工作着重显示了RNA作为设计合成系统平台以控制基因表达及用这类技术来治疗疾病的前途，特别是用基因疗法来为癌性或有病细胞设计使其走向死亡的程式的可能性。 Stephanie Culler及其同事应用短片段的RNA来制造可编程式的控制装置，当这些装置在存在某些蛋白的时候可被激发，使得基因表达通路被重新安排并改变了人类细胞的行为。 在该实验中，研究人员将某关键性信号转导通路的刺激与某个基因表达发生关联，而该基因的表达可使细胞对药物甲基鸟嘌呤变得敏感，并诱导程序化细胞死亡。 他们的RNA控制装置可重新安排有关的通路并促使细胞探测到一种与癌症有关联的标志并激活产生一种蛋白质。该蛋白质可令细胞对某种抗癌药物变得敏感。 这些结果显示，这种RNA装置可用来改变细胞转导通路的线路并指引细胞走向某种特定的命运。 一则相关的观点栏目对这一创建一个单一框架结构以建立合成基因调控系统的工作的可能的影响进行了讨论

美国叶史瓦大学艾伯特-爱因斯坦医学院研究人员发现细胞利用第一个已知的机制控制mRNA的存活。这些关于mRNA的发现可能对逆转癌症不受调控的细胞分裂提供启示。2011年12月22日，该研究发表在《细胞》期刊上。该研究通信作者Robert Singer博士说，“我们研究的mRNA分子命运类似希腊悲剧。它们的命运在诞生那一刻就被决定了。”该研究是利用Singer博士之前开发出的高级显微镜技术在酵母细胞中开展的，该技术也是第一次允许科学家在单个细胞中实时观察单个分子。制造蛋白的指令编码在基因的DNA序列上，而基因则是位于每个细胞核染色体中。但是要制造蛋白，基因的DNA编码必须拷贝或者说转录到mRNA分子上，然后mRNA从细胞核迁移到细胞蛋白制造工厂所在的细胞质。因为一旦mRNA存在，它就能够作为模板制造蛋白。因此科学家长期以来就怀疑当一种蛋白水平积累到危害的程度时细胞必须存在降解mRNA的方法。Singer博士说，“细胞在这个时候会以某种方式摧毁的mRNA，但是没有人知道这是如何发生的。”在他们寻求这种机制时，Singer博士和他的同事们集中注意在两种基因SWI5和CLB2，它们编码的蛋白调节细胞周期---细胞分裂期间复杂的一系列步骤，首先复制它的遗传物质，然后将遗传物质均匀地分配到两个子细胞中。为了合适地规划细胞周期，SWI5和CLB2基因编码的蛋白水平必须得到精致控制，这就意味着这两种基因制造的mRNA将是有目的降解的首要候选物。引人注目的是，研究人员发现这些mRNA事实上携带着最终将自己摧毁的分子“自我摧毁定时器(self-destruct timer)”。当基因被转录时，称作启动子区域的基因部分起着打开基因的作用，这样DNA将被拷贝到mRNA上。这些艾伯特-爱因斯坦医学院研究人员发现SWI5和CLB2启动子区域也有其他作用：它们招募一种蛋白 Dbf2p，这样当mRNA分子被合成时，Dbf2p就与它们结合。这些mRNA--由 SWI5和CLB2基因转录而来而且携带Dbf2p蛋白---就使得它们从细胞核运输到细胞质。在细胞质中，蛋白Dbf20p通过与Dbf2p连接在一起以便搭上mRNA分子，而且这两种蛋白一起就导致这些mRNA分子快速降解。Singer说，“我们的发现表明蛋白水平必须得到仔细控制，制造蛋白的基因含有启动子区域，正是该启动子区域在mRNA分子刚产生的时候就决定着它们死亡的命运，而且启动子区域是通过招募蛋白Dbf2p---mRNA合成和它的最终降解之间常见因子---来标记新制造的mRNA来行使的。 Dbf2p在mRNA诞生开始就与mRNA附着在一起，然后在接收到指示不应当制造更多蛋白的信号后作出应答，从而下达摧毁mRNA的命令。”Singer说，尽管这些观察都是与酵母细胞相关，但是他相信这种控制人mRNA降解的过程“将也是非常类似的”，可能用于对抗癌症。他注意到，“人们一旦获得对控制细胞周期和细胞分裂的机制新认识，就可以提出针对性的治疗方法来调节癌症中不受控制的细胞分裂。”