干细胞在分子水平发生了什么,使它成为一种细胞而不是另一种?在什么点上它被委以细胞命运,它又是如何被委任的?这些问题的答案一直未弄清楚。但现在,在一些标志着对干细胞命运了解向前迈进一大步的研究中,加利福尼亚理工学院的研究人员已追踪到确保某些干细胞成为T细胞的一种分级发育过程,其中T细胞是帮助破坏入侵病原体的免疫细胞。
这是第一次如此详细地分割一个天然的发育过程,一步一步地深入,观察基因组中所有基因的活性。从遗传学来说,这意味着这个系统确实不存在任何隐藏。
研究人员对多能造血前体细胞进行了研究,它是一种干细胞样细胞,表达各种基因,且有分化成包括免疫系统细胞在内的大量不同类型血细胞的能力。他们将小鼠全基因组考虑在内,列出在前体细胞转化成定型T细胞中起作用的所有基因,并确定了每个基因在发育过程的什么时候打开。同时,还追踪了指引前体细胞到各种替代途径中的基因。结果不仅表明了T细胞发育过程何时,也表明了T细胞发育过程如何关闭启动替代命运的基因。
生产T细胞是一个分子事件级联过程,包括5个阶段,即:2个定型前阶段、1个定型阶段和2个定型后阶段。研究人员确定出了5个阶段都表达的基因,包括许多编码调节蛋白的基因,其中调节蛋白称为转录因子,可开关特定基因。在第二与第三阶段之间会出现一个主要的调节变化,此时开始T细胞定型。这时,激活非定型干细胞相关基因的大量转录因子关闭,然而激活T细胞发育将来步骤必需基因的其他因子则打开。
该研究不仅观察了各阶段中表达什么基因,也观察了什么使那些基因特定时间表达成为可能。一个关键调节成分是转录因子基因自身的表达。此外,还确定了用作转录因子停泊位点的控制序列,这些序列用传统分子生物学技术在小鼠和人通常难以确定,研究人员花了近10年时间设法创造单基因控制序列的综合性图谱。
为绘制可能控制序列的图谱,还对表观遗传标志进行了研究。表观遗传标志是化学修饰,如改变DNA成束方式的那些。它们与DNA特定区域相关,其中DNA特定区域作为转录因子作用的后果,因此它们能影响邻近基因开关的难易。确定表观遗传标志加入或移除的DNA区域,就为确定T细胞发育期间开关的许多基因的控制序列铺平了道路。
这项研究应用了两种方法,这两种方法为研究完成提供了可能性。首先是超高通量DNA测序,用它来确定基因表达的主要变化出现在发育途径的什么阶段。这种技术放大自数百万细胞样本收集的DNA序列,将它们依次序列好,与已知基因组序列进行对比,确定哪一种基因富集或更大量。那些富集的就是最可能表达的基因。第二重要方法包括体外组织培养系统,它使研究人员能大量生产早期同步化的T细胞前体,观察变化条件对单个细胞产T细胞或其他细胞的影响。(生物谷bioon.com)
doi:10.1016/j.cell.2012.01.056
PMC:
PMID:
Dynamic transformations of genome-wide epigenetic marking and transcriptional control establish T cell identity
Jingli A. Zhang, Ali Mortazavi, Brian A. Williams, Barbara J. Wold, Ellen V. Rothenberg
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.