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YACOO: 化学世界的10大未解之谜:环境如何影响人类基因?

2015-05-04 来源:亚科官网

        以前的生物学观点认为,你体内的基因决定了你是谁。现在,另一个事实已经清晰地摆在我们面前:在“你是谁”这个问题上,你使用了哪些基因,与你携带了哪些基因同样重要。跟所有的生物学问题一样,这个问题的核心依旧是化学问题。
早期胚胎中,细胞可以发育成各种类型的组织。但随着胚胎发育,所谓的“多能干细胞”(pluripotent stem cell)则会发生分化,朝着不同的方向发展(例如血细胞、肌肉细胞或皮肤细胞)。这样,它们后代的“角色”就被固定下来。人体的形成,是 干细胞中的染色体受到化学修饰,基因表达按特定规则“开启”和“关闭”的结果。
       但是,上述化学修饰是可逆的,而且会受到人体环境的影响,这是克隆和干细胞研究领域的一项颠覆性发现。在干细胞的分化期,细胞不能永久地关闭某一基因,而只能是将它们需要的基因维持在一种“准备”状态。也就是说,被关闭的基因也有参与工作的潜力(即合成它们所编码的蛋白质),当它们遇到周围环境中特定化学物质时,这种潜力就可以激活。
       对化学家而言,最让人兴奋、也最具挑战性的是,基因表达的调控似乎涉及一些化学事件。这些事件发生在“中尺度”(mesoscale)水平上,主角是比原子和分子更大的分子复合体,涉及复合体之间的相互作用。染色质(chromatin)是由DNA和蛋白质组成的复合物,具有一种层级结构。DNA双螺旋缠绕在一个个圆柱形的、由组蛋白(histones)构成的蛋白颗粒上,然后这些蛋白颗粒会聚集起来,形成更高级的结构。目前我们对这种结构还知之不多。细胞活动极好地控制了这种组装过程——一个基因以何种方式,被定位到染色质的哪个位置,也许就决定了它能否正常表达。
        细胞里,有些酶专门用于重塑染色质结构,它们在细胞分化过程中起着核心作用。胚胎干细胞中,染色质的结构看上去更松散、开放性更高,但随着一些基因进入“沉默”状态,染色质会变得更加紧凑、有序。“染色质似乎可以决定并维持(或者说稳定)细胞的状态,”美国麻省总医院的病理学家布拉德利·伯恩斯坦(Bradley Bernstein)说。
        此外,染色质在形成高级结构的过程中,DNA和组蛋白还会发生化学修饰。一些小分子会结合到DNA和组蛋白上,就像标签一样,告诉细胞里的分子机器该对基因采取何种措施:应该阻止还是放任基因的表达。这种“标记过程”叫做“表观遗传”(epigenetic)现象,因为该过程不会改变基因携带的遗传信息。
       至于成熟细胞能在多大程度上重获分化能力(不管它们能否变得像真正的干细胞那样,在再生医学中,诱导性干细胞的使用都是一个非常重要的问题),这在很大程度上取决于在表观遗传标记的重置上,科学家能走多远。
        现在比较清楚的是,在遗传上,除了遗传密码里的关键信息,细胞还有一套完全不同的“化学语言”——这就是表观遗传。英国伯明翰大学的遗传学家布莱恩·特纳(Bryan Turner)说:“人类的很多疾病都与遗传相关,包括癌症在内,但是一种潜在的疾病最终是否发作,通常还要看环境因素能否通过表观遗传的方式起作用。”
来源: 环球科学-科学美国人中文版(北京)