Science技术专辑：表观基因组学新技术（组蛋白篇）

几十年来，DNA一直被认为是决定生命遗传信息的核心物质，但是近些年的研究表明，生命遗传信息从来就不是基因所能完全决定的，比如科学家们发现，可以在不影响DNA序列的情况下改变基因组的修饰，这种改变不仅可以影响个体的发育，而且还可以遗传下去。这种在基因组的水平上研究表观遗传修饰的领域被称为“表观基因组学”。

 

2008年早期，美国国家卫生研究院NIH宣布了一项涉及1.9亿元，时间长达5年的表观遗传学项目。今天这些努力开始初见成效，NIH共同基金与一些私人研究机构已经资助了68项表观遗传学项目，获得了52份表观遗传图谱（不同细胞类型DNA甲基化和组蛋白修饰图谱），而且更重要的是，通过这些研究，我们获得了大量新型表观遗传学和表观基因组学的分析技术，令我们更清楚的了解了基因组水平上细胞内发生的事件。正如NIH共同基金办公室主任James Anderson所说的那样，这些才是花费上百万美元的真正收获。

 

由此Science杂志特以“Epigenomics: The New Technologies of Chromatin Analysis”为题，总结概况了这些技术，文章分为甲基化分析，组蛋白分析，以及分离分选技术。

 

前文：Science总结染色质检测新技术：甲基化篇

 

组蛋白分析

 

美国NIH表观遗传基因组学项目的另外一项资助给了北卡罗莱纳州大学医学院的Brian Strahl副教授，通过与其同事陈冼（Xian Chen，音译）的合作，Strahl发现了新型表观遗传标记。

 

“我们希望解决的问题之一，就是了解是否还有一些未被发现的组蛋白修饰新位点，”Strahl解释道，“这很重要，因为要真正理解表观基因组学，甚至表观遗传学，必须首先要了解组蛋白所有的修饰是如何开始的。”

 

换句话说，在不知道哪里出现了修饰的情况下，是无法绘制这些修饰的，这有两种情况：新位点的已知修饰，和新修饰类型。

 

为了找到这两种类型，许多研究人员采用了质谱的方法。比如，Strahl等人就利用了Bruker Daltonics公司的傅里叶变换离子回旋共振（FT-ICR）质谱仪，完成了top-down蛋白质组学分析，在酿酒酵母中发现了组蛋白H2B赖氨酸37出现了一个之前未被发现的修饰。

 

“我们发现了这个特殊的赖氨酸”，Strahl说，“但是不幸的是，我们无法将其与任何特殊生物学现象联系在一起，这只是一个新修饰而已”。

 

当然这并不是说这个修改不重要，“细胞花费了这么多ATP，在这个残基上加入了这样一个特定修饰，那肯定是有它的理由的”。

 

此外这项研究还显示有一种被称为UHRF1的蛋白参与了表观遗传学标签的维持。UHRF1是一种重要的表观遗传学调控因子，在确保DNA甲基化正确复制、调控异染色质功能和基因表达中发挥着重要的作用。

 

在另外一项研究中，科学家们还发现了一些全新的修饰：来自芝加哥大学的赵英明教授利用高通量质谱分析方法，在组蛋白上发现了几种新型翻译后修饰，包括2007年发现的赖氨酸丙酰化和丁酰化butyrylation，以及2011年发现的crotonylation，还有2012年发现的赖氨酸琥珀酰化succinylation和malonylation。

 

目前赵英明研究员也在中国科学院上海药物所任职，是目前世界上发现蛋白质新修饰最多的实验室。

 

赵英明研究组针对赖氨酸巴豆酰化crotonylation修饰的研究，实际上可以作为研究人员要分析计算机到底告诉了我们什么信息的一个范例，因为赵等在这项研究中所进行的认真分析使其获得了一项重要的发现，也发表了一篇Cell文章。

 

当时，赵英明研究组已经发现了赖氨酸的butyrylation修饰，为了能绘制出这些修饰位点，研究人员利用先进的Thermo Scientific的LTQ Orbitrap Velos系统，进行了深入研究。通常这种类型的研究，研究人员主要是依赖于计算机来筛选数据，并分析可能出现修饰的离子质量。这要是通过手工来完成，显然太费时费力了。但是由于计算机也会出现错误，因此这一研究组进行了两次检查。

 

当他们检查到频谱分配的时候，发现了一些数据不能完全匹配，他们并没有放过这个细节，由此发现了一种新修饰：巴豆酰化。

 

之后研究组成员利用一种自制的“pan-crotonyl”抗体，通过ChIP-seq追踪了基因组中这一标记的分布，发现了其与转录起始位点，增强子，激活基因有关，而且“也在减数分裂后雄性生殖细胞的基因表达重编程中扮演了重要角色”，他说。