《分子细胞》：表观遗传信息传递是一个两步骤过程

目前，印第安那大学（IU）的科学家们解开了现代遗传学的一个谜团：获得性状如何在一个称为表观遗传信息传递（epigenetic inheritance，通过有丝分裂或减数分裂来传递非 DNA 序列遗传信息的现象）的过程中世代传递？这项研究发现，根据DNA中的信息，细胞并不知道该沉默哪些基因，但是它们能识别添加到基因中的化学遗传标记。这些化学标签起分子记忆的作用，使细胞能够识别基因，并记住它们，在新的世代中再次沉默它们。

由IU生物学家和生物化学家Craig Pikaard带领的一个研究小组完成的这些研究成果，为植物细胞如何知道在每一世代中沉默一个遗传位点，提供了重要的新见解。相关研究结果发表在2014年3月20日的《分子》（Molecular Cell）杂志。

细胞并不依赖内在的DNA序列信息，而是通过依赖DNA和蛋白质复合物（称为染色质）上的化学标记，来沉默特定的位点。常见的染色质化学修饰方式有甲基化-去甲基化，乙酰化-去乙酰化，磷酸化-去磷酸化等等。

使染色质标记永久存在的能力，其实充当一种表观遗传记忆的形式，使沉默位点具有识别性，这是细胞将机器传递给位点所需要的一种预先设定的状态，其在一个多步骤过程（称为RNA指导的DNA甲基化，RdDM）中完成了基因沉默。RdDM包括短的干扰RNA（siRNA），siRNA是24核苷酸长的小RNA分子，可指导甲基原子团添加到匹配的DNA链，最终使基因不起作用。

Pikaard说：“重要的是，这项工作表明，沉默位点识别对于基因沉默必不可少。我们发现，表观遗传信息传递是一个两步骤过程，这两个独立的步骤一起引起了沉默状态的表观遗传信息传递。”

科学家们之所以对表观遗传信息传递感兴趣，是因为它是一个重要的过程，在这个过程中发生的基因功能的可遗传修饰是必不可少的，而生物体DNA碱基序列没有发生变化。某些疾病如癌症，偶尔发生在一个人的一生中，越来越多人认为其具有一个表观遗传基础。

Pikaard指出，这项新工作不仅对表观遗传信息传递的机制提出了新的见解，这是遗传学和染色体生物学领域一个广泛关注的话题，而且还有助于解释两种植物特异基因沉默酶——RNA 聚合酶Pol IV和Pol V——的招募基础，在1999年，Pikaard首先发现了这两种酶。

研究人员检测和鉴定了脱乙酰化酶6（HDA6）——去除组蛋白乙酰基的一种酶，和甲基化转移酶MET1之间的关系，他们发现，这两种酶在维持甲基化中的伙伴关系，可以解释导致沉默位点识别的表观遗传记忆永久性。

Pikaard说：“总的来说，我们的研究结果表明，通过HDA6和MET1，沉默位点识别可在世代之间延续相传。这些活动不足以沉默位点，但是能保持一种染色质状态，这是Pol IV招募、siRNA生物合成和RdDM所必需的。”

当研究人员在模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）的Pol IV和Pol V突变株中去除RdDM通路后，所有基因沉默都消失，但是沉默位点识别仍然存在。然后他们将HDA6和指定沉默位点识别的MET1依赖性过程去除，沉默位点识别所需的表观遗传记忆消失，并无法恢复。