每一只動(dòng)物都以細(xì)胞叢開始，隨著時(shí)間的推移，這些細(xì)胞會(huì)繁殖并成熟為許多不同類型的細(xì)胞，組織和器官。這是基礎(chǔ)生物學(xué)。然而，這個(gè)過程的細(xì)節(jié)仍然很大程度上是神秘的?，F(xiàn)在，北卡羅來納大學(xué)教堂山分校的科學(xué)家們已經(jīng)開始解開這個(gè)謎團(tuán)的重要部分。

利用果蠅果蠅(Drosophila)作為研究動(dòng)物生物學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室模型，研究人員發(fā)現(xiàn)了一系列分子信號(hào)，它們對(duì)基因活動(dòng)進(jìn)行編程，將蒼蠅從成熟階段推向下一階段，就像嬰兒變成成年人一樣。他們發(fā)現(xiàn)，這項(xiàng)計(jì)劃的一部分涉及DNA包裝方式的改變。這些改變打開了某些DNA區(qū)域以允許基因活動(dòng)并封閉其他區(qū)域以防止基因活動(dòng)。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了DNA可及性的這些變化依次發(fā)生的證據(jù)。

“我們終于開始研究生物學(xué)的核心機(jī)制之一，它確定了我們基因水平的正常動(dòng)物發(fā)育事件的時(shí)間和順序，”UNC遺傳學(xué)助理教授Daniel J. McKay博士說。 UNC藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院醫(yī)學(xué)與生物學(xué)院。

這一基本的生物學(xué)發(fā)現(xiàn)也對(duì)人類健康具有重要意義?？茖W(xué)家在幼蠅中觀察到的細(xì)胞重編程的變化可能在成人細(xì)胞中不適當(dāng)?shù)匕l(fā)生 - 例如刺激癌癥。

“我們希望這項(xiàng)工作能夠幫助我們更好地了解癌癥和其他疾病的癥狀，”麥凱說。

在發(fā)表于Genes&Development的研究中，McKay及其同事首先研究了果蠅激素蛻皮激素的分子影響，它導(dǎo)致幼蟲脫落其舊形態(tài)，并在成熟時(shí)采用新的昆蟲。

科學(xué)家們知道，蛻皮激素與整個(gè)昆蟲體內(nèi)細(xì)胞核中的一種受體EcR結(jié)合。EcR是轉(zhuǎn)錄因子，是遺傳主開關(guān)。當(dāng)被蛻皮激素結(jié)合時(shí)，它會(huì)打開一組特定的基因。而這些基因又參與了蛋白質(zhì)的發(fā)展 - 生物學(xué)的機(jī)器。

通過分析果蠅翅細(xì)胞，McKay及其同事發(fā)現(xiàn)了通過這些基因活動(dòng)變化的級(jí)聯(lián)發(fā)生翅膀發(fā)育的證據(jù)。

“我們發(fā)現(xiàn)第一級(jí)基因?qū)ν懫ぜに亓⒓醋鞒龇磻?yīng)，然后它們與EcR一起激活第二層基因，然后這兩個(gè)基因一起運(yùn)作，共同作用于第三層，”麥凱說。“因此，我們觀察到基因表達(dá)的這些波動(dòng)，推動(dòng)了翼組織的發(fā)展。”

使用全基因組測(cè)序技術(shù)，McKay團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)基因表達(dá)的這些變化與DNA“包裝”方式的變化有關(guān)。

DNA在稱為組蛋白的支持蛋白質(zhì)周圍環(huán)繞，這種組蛋白-DNA組合稱為染色質(zhì)。

當(dāng)染色質(zhì)相對(duì)松散和開放時(shí)，基因可以變得活躍。當(dāng)染色質(zhì)緊密且閉合時(shí)，基因大部分都是沉默的。McKay及其同事發(fā)現(xiàn)，蛻皮激素激活一些基因以產(chǎn)生打開或關(guān)閉染色質(zhì)的特殊轉(zhuǎn)錄因子蛋白。這種染色質(zhì)的改變代表了細(xì)胞的基本重編程。

McKay及其同事在之前的研究中表明，果蠅中染色質(zhì)可及性的模式在發(fā)育過程中似乎發(fā)生了顯著變化，但在飛行組織的任何給定時(shí)間都非常相似。

對(duì)于科學(xué)家來說，這些研究結(jié)果共同表明，染色質(zhì)的變化導(dǎo)致基因活動(dòng)的級(jí)聯(lián)，從而促進(jìn)蒼蠅的發(fā)育。也就是說，隨著時(shí)間的推移，染色質(zhì)的變化將有助于加強(qiáng)生物發(fā)育過程中正在進(jìn)行的各種過程的時(shí)間安排。這些變化代表了一種重要的發(fā)展機(jī)制，可能在人類中發(fā)揮作用。

McKay和他的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步研究如何改變?nèi)旧|(zhì)可及性和基因活性的這些級(jí)聯(lián)如何從蒼蠅的一部分到另一部分不同。

正如麥凱指出的那樣，這一研究領(lǐng)域可能具有超越發(fā)育生物學(xué)的相關(guān)性。生長(zhǎng)和存活基因的表達(dá)在早期生物發(fā)育期間是正常的- 當(dāng)我們年輕時(shí)。但是，例如，癌細(xì)胞使用這些基因來維持失控的增殖以引起疾病。

因此，了解打開或關(guān)閉染色質(zhì)的分子因子- 并允許或關(guān)閉這些強(qiáng)大基因的活性- 可以讓生物學(xué)家更好地了解癌癥是如何產(chǎn)生的。與知識(shí)的武裝，科學(xué)家們可以嘗試創(chuàng)建與對(duì)抗癌癥的更精確的武器細(xì)胞。