人体内的每个细胞都含有相同的基因指令，编码在DNA中 。然而，在约莫3万个基因中，每个细胞只表告竣为神经细胞、免疫细胞或体内其他数百种细胞类型中的恣意一种所需的基因 。
每个细胞的运气在很洪流平上取决于修饰其DNA的卵白质的化学修饰；这些修饰反过来控制哪些基因被翻开或关闭 。然而，当细胞复制它们的DNA举行破碎时，它们失去了一半的这些修饰，留下了一个问题：细胞怎样坚持它们应该是哪种细胞的影象 ？
麻省理工学院的一项新研究提出了一个理论模子，该模子有助于诠释细胞破碎时这些影象是怎样代代相传的 。研究小组以为，在每个细胞核内，基因组的3D折叠模式决议了基因组的哪些部分将被这些化学修饰标记 。细胞复制DNA后，标记部分丧失，但3D折叠允许每个子细胞轻松恢复维持其身份所需的化学标记 。每次细胞破碎时，化学标记允许细胞恢复其基因组的三维折叠 。这样，通过在3D折叠和标记之间转换影象，影象可以在数百次细胞破碎中生涯下来 。
“细胞类型差别的一个要害方面是差别的基因被翻开或关闭 。将一种细胞类型转化为另一种很是难题，由于这些状态很是稳固，”该研究的主要作者、22岁的Jeremy Owen博士说 。“我们在这项事情中所做的是开发一个简朴的模子，突出细胞内化学系统的定性特征，以及它们怎样事情以使基因表达的影象稳固 。”
麻省理工学院医学工程与科学研究所和物理系的教授Leonid Mirny是该论文的资深作者，该论文揭晓在《Science》杂志上 。前麻省理工学院博士后Dino Osdovi?也是这项研究的作者之一 。
维持影象
在细胞核内，DNA被一种叫做组卵白的卵白质包裹着，形成一种被称为染色质的致密结构 。组卵白可以显示种种修饰，资助控制哪些基因在给定细胞中表达 。这些修饰爆发“表观遗传影象”，资助细胞维持其细胞类型 。然而，这种影象是怎样转达给子细胞的照旧个谜 。
Mirny实验室之前的事情批注，折叠染色体的三维结构部分是由这些表观遗传修饰或标记决议的 。特殊是，他们发明某些染色质区域，带有告诉细胞不要读取特定DNA片断的标记，相互吸引并形成称为异染色质的致密团块，细胞难以进入 。
在他们的新研究中，Mirny和他的同事想要回覆这些表观遗传标记是怎样代代相传的问题 。他们开发了一个具有几个标记区域的聚合物的盘算模子，并看到这些标记区域相互坍塌，形成麋集的团块 。然后他们研究了这些标记是怎样丧失和获得的 。
当一个细胞复制它的DNA并将其破碎成两个子细胞时，每个拷贝获得约莫一半的表观遗传标记 。然后，在DNA转达给子细胞之前，细胞需要恢复丧失的标记，染色体折叠的方法充当了这些剩余标记应该去那里的蓝图 。
这些修饰是由被称为“读－写”酶的特殊酶添加的 。这些酶中的每一种都对特定的标记有特异性，一旦它们“读取”了现有的标记，它们就会在周围的位置“写入”特另外标记 。若是染色质已经折叠成三维形状，标记将在已经从亲本细胞遗传了修饰的区域积累 。
Owen说：“有几条证据批注，撒播可能爆发在3D中，这意味着若是有两个部分在空间上相互靠近，纵然它们不是沿着DNA相邻，那么撒播也可能从一个部分爆发到另一个部分 。”“这就是3D结构怎样影响这些标记的撒播 。”
这个历程类似于熏染病的撒播，由于一个染色质区域与其他区域的接触越多，它就越有可能被修改，就像一个容易熏染某种疾病的人，随着接触次数的增添，更有可能被熏染一样 。在这个类比中，异染色质麋集的区域就像人们有许多社会互动的都会，而基因组的其余部分就像生齿希罕的农村地区 。
Mirny说：“这基本上意味着，这些痕迹将在麋集区域无处不在，而在麋集区域之外的任何地方都将很是希罕 。”
他增补说，这个新模子批注，存储在折叠聚合物中的表观遗传影象与存储在神经网络中的影象之间可能保存相似之处 。标记的模式可以被以为类似于神经网络中神经元之间形成的毗连模式 。
他说：“总的来说，这批注类似于神经网络能够处置惩罚很是重大的信息的方法，我们所形貌的表观遗传影象机制可能能够处置惩罚信息，而不但仅是存储信息 。”
表观遗传侵蚀
虽然这个模子似乎为怎样维持表观遗传影象提供了一个很好的诠释，但研究职员发明，最终，读写酶的活性将导致整个基因组被表观遗传修饰所笼罩 。当他们改变模子使酶变弱时，它不可笼罩足够的基因组，影象在几代细胞中丧失 。
为了使模子更准确地诠释表观遗传标记的生涯，研究职员增添了另一个因素：限制可用的读� 。慈朊傅氖� 。他们发明，若是酶的数目坚持在组卵白数目的0.1%到1%之间（这个百分比基于对这些酶的现实品貌的预计），他们的模子细胞可以准确地维持它们的表观遗传影象长达数百代，这取决于表观遗传模式的重大性 。
我们已经知道，随着年岁的增添，细胞最先失去它们的表观遗传影象，研究职员现在妄想研究他们在这篇论文中形貌的历程是否可能在表观遗传侵蚀和细胞身份损失中施展作用 。他们还妄想模拟一种叫做早衰症的疾病，这种疾病的细胞有基因突变，导致异染色质的损失 �；加姓庵旨膊〉娜嘶峒铀傩嗦� 。
“这些突变和最终爆发的表观遗传转变之间的机制联系尚不清晰，”欧文说 。“使用像我们这样的模子，其中有动态标记，以及聚合物动力学，试图诠释这一点，这将是很好的 。”
研究职员还希望与相助者相助，通过实验测试他们模子的一些展望，这可以通过改变活细胞中读写酶的水平和丈量对表观遗传影象的影响来实现 。
这项研究由美国国家人类基因组研究所、美国国家通俗医学科学研究所和美国国家科学基金会资助 。
期刊：Science
DOI：10.1126/science.adg3053
文章问题：Design principles of 3D epigenetic memory systems
