美国最新一期《科学家》杂志聚焦高通量表观遗传为细胞...

admin

最近，美国《The Scientist》杂志邀请了表观遗传领域的牛人分享如何利用高通量表观遗传技术来分析胞内代谢产物对细胞生理功能的影响。

新兴技术的出现，在细胞内新陈代谢和DNA表观遗传修饰间架起了一道桥梁，也为研究者对免疫和肿瘤的研究拓展了新的道路。最新一期美国《The Scientist》杂志也邀请了表观遗传领域的位牛人分享如何利用高通量表观遗传技术来分析胞内代谢产物对细胞生理功能的影响。

1 T细胞的开关研究者：李铭 (Ming Li ) 纪念斯隆凯特琳癌症中心的免疫学家


研究项目：有氧糖酵解（Warburg效应）通常被认为是T细胞活化后的代谢特征。通过此代谢途径，T细胞即便处于有氧的环境中，胞内的葡萄糖也会被转化为厌氧过程中的典型产物3-碳乳酸酯分子，并且可增强促炎细胞因子IFN-γ的表达。虽然已有研究证明，有氧糖酵解被抑制后，可增加了另一种酶与IFN-γmRNA的3'非翻译区（3'UTR）结合，从而降低了该基因的翻译。但李铭的研究小组却发现，即便删除了3'UTR，有氧糖酵解过程并没有被恢复，IFN-γ表达水平仍处于下调状态。显然，有氧糖酵解促进IFN-γ表达的背后机制还不是很明确。


研究成果：为了寻找基因表达和糖代谢之间的另一种联系，研究小组通过染色质免疫沉淀（ChIP-Seq）发现，野生型和LDHA敲除细胞存在不同的组蛋白乙酰化（促进基因表达）和基因表达模式。LDHA敲除细胞中86％的下调基因（包括IFNγ）显示组蛋白乙酰化减少。而在LDHA驱动有氧糖酵解的能量产生过程中，会促使线粒体维持乙酰辅酶A高浓度，增强Ifng的组蛋白乙酰化和转录，促进IFN-γ表达。因而，LDHA可能成为自身炎症性疾病治疗靶点。


方法总结：文章在试图阐明代谢物在表观遗传效应中所起的作用时，寻找了DNA甲基化或组蛋白乙酰化等特定变化，然后寻找可能产生这些标记所需要成分的代谢途径。2细肿瘤生物化学研究者：Oliver McDonald 病理学家 Vanderbilt大学


研究项目：胰腺导管腺癌（胰腺癌的最常见形式）中的原发性肿瘤和转移性细胞在遗传上是彼此相似的。但转移性肿瘤细胞总会生长在比原发肿瘤更丰富的营养环境中，并以明显不同的方式生长。虽然目前调控肿瘤细胞转移性扩散和生长的基因仍不清楚，但转移性癌细胞基因组中所存在明显的去甲基化现象，也表明表观遗传机制在起作用。McDonald研究小组则认为这种表观遗传变化可能会受到代谢变化的调控作用。研究成果：当研究者将原发性和转移性人类肿瘤的配对样本与甲基化组蛋白进行比较时，他们发现来自远处部位（如肝脏和肺部）的转移细胞在其组蛋白上携带不同的甲基化和乙酰化标记。


▲图中，首先形成胰腺瘤的细胞（左图）显示高水平的组蛋白甲基化（红色）；而进行远处（如肝脏）转移的癌细胞中，甲基化现象已经完全丢失（右图）与原发性肿瘤细胞不同，转移性癌细胞并没有利用其它“能源”来补充或代替葡萄糖，而是严重依赖葡萄糖消耗形成新肿瘤块。因此，研究人员使用液相色谱和高分辨率质谱来追踪肿瘤细胞转移后的糖代谢途径，并找到了癌细胞在这些途径中可能最依赖的步骤。研究者在研究肿瘤的代谢物谱时发现，转移性癌细胞内的一种葡萄糖代谢产物6-磷酸葡萄糖酸（6PG）含量极低。而6PG可被6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶（PGD）分解消耗，表明此酶过度活跃并消耗了所有的底物。


而敲除PGD基因并没有改变同一途径中其他酶的表达，却逆转了转移性癌细胞中染色质甲基化和乙酰化的变化。在3-D培养物中，抑制PGD即可阻断肿瘤形成。因此，研究者认为PGD可能是作为一种营养物质感应机制：通过不断降低6PG来迫使细胞消耗更多的葡萄糖。随后细胞将利用葡萄糖消耗产生的过量代谢产物，对细胞内相应染色质区域中的组蛋白进行乙酰化或去甲基化以促进形成肿瘤，并引起肿瘤细胞转移生长中所出现的大规模表观遗传学改变。


方法总结：研究者依靠人工筛选数据来寻找代谢物水平和染色质变化之间的联系。在转移性胰腺癌中发生改变的大染色质结构域，可能会出现数百种不同的信号，而且由于细胞代谢途径不同，其代谢产物也会发生改变。例如，葡萄糖代谢途径可以有很多种，而且每种都会产生不同的中间体。
而对于那些没有办法手动分析这些大型数据集的人来说，McDonald建议找到可能与被研究疾病相关的代谢物模式，然后与生物信息学家一起量身定制算法，以便反映当前的生物学特征。


免责声明：本内容来源于《科学家》杂志及互联网，由精准医学公众号整理、编辑，我们仅作科学传播使用，不承担任何责任。

参考文献1.Aerobic glycolysis promotes T helper 1 cell differentiation through an epigenetic mechanism（DOI: 10.1126/science.aaf6284）2.Epigenomic reprogramming during pancreatic cancer progression links anabolic glucose metabolism to distant metastasis（doi:10.1038/ng.3753 ）3.High-Throughput Epigenetics Analyses