生物體中頭部和腹部不同器官的細胞都包含相同的基因組，但不同類型細胞在分化后只表達一部分基因子集，可稱為細胞特異性表達。
近日，來自紐約大學(xué)(NYU)生物學(xué)系的Stephen Small教授所帶領(lǐng)的研究團隊探索了胚胎形成過程中細胞特異性表達的基因其啟動子的激活機制，為細胞是如何分化而變得彼此不同給出了一些答案，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在《Molecular Cell》上。
細胞特異性基因表達
科學(xué)家們早就認識到了生命體遵循“Crick 中心法則”。這一法則所描述的遺傳信息傳遞的過程為：從DNA轉(zhuǎn)錄成為RNA, 再從RNA翻譯為蛋白質(zhì)執(zhí)行生物學(xué)功能；這也是基因表達的過程?？茖W(xué)家們此前已經(jīng)識別了基因表達由啟動子作為“開/關(guān)”，就像水龍頭一樣，但這些啟動子到底是如何被激活的卻不得而知。
此次，研究人員將目光聚焦在了一個果蠅胚胎發(fā)育過程中稱為“駝背基因”的hunchback (hb)基因上。hb基因能使果蠅胚胎頭部的細胞發(fā)育成為與腹部不同的細胞，也可以理解為hb基因在果蠅頭部細胞中特異性表達, 對頭部細胞的分化起著重要的作用。
雙啟動子“開關(guān)”
研究人員通過實驗獲得了hb啟動子上的DNA序列，但卻進一步發(fā)現(xiàn)hb基因?qū)嶋H上有兩個啟動子P1和P2。其中P1 是活性啟動子，具有兩個關(guān)鍵功能域—— Zelda 結(jié)合域和TATA序列，決定了啟動子的活性；P1的激活經(jīng)發(fā)現(xiàn)是由一種叫做Bicoid轉(zhuǎn)錄因子的蛋白操控的，其具體的操控機制為：Bicoid與另一種與P1相距甚遠的DNA序列（稱為增強子）相結(jié)合。
一旦這種結(jié)合形成，Bicoid就隨后再結(jié)合到P1上并使其激活，讓bh基因得以表達。因此，像眾多基因的表達途徑一樣，如果P1被關(guān)閉，hb基因就會沉默并停止表達；當P1被Bicoid激活，hb基因的轉(zhuǎn)錄就會開啟，從而進行表達。
然而，P2則是一個非活性啟動子，并不具有Zelda和TATA兩個功能域 ，因此不能像P1一樣對Bicoid產(chǎn)生反應(yīng)。
為了進一步驗證啟動子的功能域，研究人員通過基因編輯敲除了P1上的Zelda和TATA序列，并發(fā)現(xiàn)該啟動子隨后失活。而當把這兩個序列插入P2后，該啟動子產(chǎn)生了像P1一樣的功能活性。
“復(fù)雜的機體中包含有多種類型的細胞，每一種細胞類型都是獨特的，因為它能夠開啟一類細胞特異性基因的表達，” Small教授評價說，“我們的研究結(jié)果揭示了在早期胚胎發(fā)育中，一個細胞特異性基因的表達是如何被開啟的。”
結(jié)語
科學(xué)家們一直知道改變特定基因的開啟有可能會導(dǎo)致出生缺陷或像癌癥這樣的嚴重疾病，但他們對驅(qū)動這種改變背后所蘊藏的復(fù)雜分子學(xué)機制尚不完全清楚。本項研究為生命活動的遺傳基礎(chǔ)提供了新的見解，并有助于更好地了解疾病的發(fā)生和出生缺陷。
參考資料：
[1] Biologists discover the intricacies of "on/off switch" that creates cell differentiation
[2] Bicoid-DependentActivation of the Target Gene hunchback Requires a Two-Motif Sequence Code in aSpecific Basal Promoter
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