不同于肌肉細(xì)胞或神經(jīng)細(xì)胞，胚胎干細(xì)胞被定義為能夠承擔(dān)所有細(xì)胞的功能,?？茖W(xué)家們將這種靈活性稱(chēng)之為“多能性”，這意味著隨著生物體的發(fā)育,，干細(xì)胞必須隨時(shí)準(zhǔn)備激活各種各樣的基因表達(dá)程序,，將它們轉(zhuǎn)為血液細(xì)胞、腦細(xì)胞或腎細(xì)胞,。
在12月27日的《細(xì)胞》（Cell）雜志上,，來(lái)自Stowers研究所Ali Shilatifard博士研究室的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一條細(xì)胞維持這種可塑性的途徑：一種稱(chēng)作Ell3的蛋白定位在了發(fā)育調(diào)控基因的增強(qiáng)子上，即便是基因沉默之時(shí),，使其為未來(lái)表達(dá)做好準(zhǔn)備,。這一研究發(fā)現(xiàn)具有重要的意義,，因?yàn)樵诎┌Y中發(fā)現(xiàn)許多相同的基因被異常開(kāi)啟。
Shilatifard 說(shuō)：“我們現(xiàn)在知道,，一些增強(qiáng)子錯(cuò)誤調(diào)控與實(shí)體瘤和惡性血液病有關(guān),。然而一個(gè)重要的問(wèn)題是如何識(shí)別失活或是預(yù)備行動(dòng)的增強(qiáng)子元件。發(fā)現(xiàn)ES細(xì)胞中Ell3與增強(qiáng)子互作,，為我們識(shí)別及研究它們提供了一個(gè)手柄,。”
2000年，Shilatifard將Ell3確定為延伸因子Ell家族第3個(gè)成員,。Shilatifard說(shuō)：“當(dāng)時(shí),，我們并沒(méi)有對(duì)Ell3太過(guò)在意，是因?yàn)樗诓G丸中高表達(dá),。那時(shí)人們認(rèn)為精子只是一種將父系DNA攜帶到卵子處的容器,，并認(rèn)為伴隨因子與胚胎中未來(lái)的基因表達(dá)調(diào)控相關(guān)性不大。
然而就在幾年前,，一位名叫Chengqi Lin的求知欲極強(qiáng)的開(kāi)放大學(xué)（Open University）研究生在Shilatifard實(shí)驗(yàn)室工作,。他通過(guò)全面搜索Ell3在小鼠胚胎干細(xì)胞基因組中占據(jù)的區(qū)域，開(kāi)始探究這一遭受忽視的基因所具有的潛在功能,。其與Shilatifard實(shí)驗(yàn)室生物信息學(xué)家Alexander S. Garruss合作,，揭示出Ell3定位在5000多個(gè)增強(qiáng)子上，其中許多增強(qiáng)子調(diào)控了支配干細(xì)胞成熟形成脊髓細(xì)胞,、腎細(xì)胞和血細(xì)胞的基因,。
Chengqi Lin 說(shuō)：“有趣的是，Ell3給活性增強(qiáng)子,、失活增強(qiáng)子以及‘預(yù)備行動(dòng)’（即處于從失活到活化過(guò)渡狀態(tài)）增強(qiáng)子打上了標(biāo)記,。這表明Ell3的主要功能可能是為正好在發(fā)育過(guò)程中激活的基因做準(zhǔn)備。”
發(fā)現(xiàn)沉默基因可能為表達(dá)做準(zhǔn)備并不奇怪：研究人員知道負(fù)責(zé)將DNA轉(zhuǎn)錄為RNA的酶機(jī)器Pol II蛋白,，常常會(huì)停頓在基因的起點(diǎn),，大概是為了加速發(fā)動(dòng)機(jī)，為跳過(guò)遺傳啟動(dòng)閘門(mén)對(duì)發(fā)育信號(hào)做出反應(yīng)而做準(zhǔn)備,。然而,，在幾年前Shilatifard和同事們發(fā)現(xiàn)停頓的Pol II并非是快速轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)的先決條件。
當(dāng)研究人員利用一種分子技術(shù)耗盡小鼠ES細(xì)胞中的Ell3,，隨后進(jìn)行基因組調(diào)查時(shí)獲得了意外的發(fā)現(xiàn),。他們發(fā)現(xiàn)在Ell3缺陷細(xì)胞中，停頓的Pol II從許多基因的起始位點(diǎn)消失,。這意味著,，Ell3不僅優(yōu)先標(biāo)記增強(qiáng)子，而且它的存在是將空轉(zhuǎn)Pol II維持在預(yù)備行動(dòng)狀態(tài)的必要條件,。
當(dāng)前大多數(shù)的研究都是確定發(fā)育時(shí)間何時(shí)才適當(dāng)以及相關(guān)機(jī)制,，與增強(qiáng)子結(jié)合的Ell3與超長(zhǎng)延伸復(fù)合物（super-elongation complexes ,，SECs）元件合作，將Pol II從啟動(dòng)閘門(mén)釋放出來(lái),，使得干細(xì)胞分化所需的基因表達(dá),。這些研究結(jié)果中最為重要的是，他們觀察發(fā)現(xiàn)耗盡Ell3的小鼠干細(xì)胞無(wú)法激活成熟細(xì)胞類(lèi)型的表達(dá)基因,。
這些研究結(jié)果中的任何一個(gè)都足以作為某一實(shí)驗(yàn)室開(kāi)香檳慶祝的理由,，而該研究的令人驚訝的結(jié)尾為讀者們揭示了另外一個(gè)意外新事實(shí)。與Stowers研究所電子顯微鏡中心Fengli Guo博士合作,，該研究小組高度放大了小鼠精子的圖像,，對(duì)精子細(xì)胞核中的Ell3和Pol II進(jìn)行了觀察。
在哺乳動(dòng)物中,，直至形成單細(xì)胞受精卵,，Pol II才會(huì)開(kāi)始對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)控。“在精子中發(fā)現(xiàn)Ell3和其他調(diào)控轉(zhuǎn)錄的因子,，具有非常重要的意義,，” Chengqi Lin說(shuō)。不過(guò)Chengqi Lin對(duì)解釋這一發(fā)現(xiàn)持謹(jǐn)慎態(tài)度,，“進(jìn)一步檢測(cè)精子中發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)錄因子是否促成了精子染色質(zhì)解凝縮,，或甚至在受精后作為表觀遺傳標(biāo)記進(jìn)一步促成了基因激活，這將是非常令人興奮的,。”
Shilatifard對(duì)于仍有待探討的問(wèn)題也同樣持謹(jǐn)慎態(tài)度,，其中包括Ell3和Pol II是否的確接觸了精子中的DNA，或是相似的過(guò)程是否發(fā)生在未受精卵子中,，以及它們?cè)谶@一過(guò)程的作用等,。不過(guò)，他表示這一發(fā)現(xiàn)不僅對(duì)于發(fā)育具有重要的影響,，還將影響他下一步的研究方向。
Shilatifard 說(shuō)：“這一研究為我的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)辟了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域,。在過(guò)去的十年里我主要側(cè)重研究與白血病相關(guān)的異?；虮磉_(dá)。如果我們能夠找到生殖細(xì)胞中與染色質(zhì)特定區(qū)域結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子,，我或許會(huì)再接下來(lái)的數(shù)十年里專(zhuān)注于生殖細(xì)胞,。這將為我們開(kāi)啟一扇大門(mén)，確定在早期發(fā)育中這些因子的作用,。”(生物谷Bioon.com)
DOI:10.1016/j.cell.2012.12.015
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PMID:
The RNA Pol II Elongation Factor Ell3 Marks Enhancers in ES Cells and Primes Future Gene Activation
Chengqi Lin, Alexander S. Garruss, Zhuojuan Luo, Fengli Guo, Ali Shilatifard
Enhancers play a central role in precisely regulating the expression of developmentally regulated genes. However, the machineries required for enhancer-promoter communication have remained largely unknown. We have found that Ell3, a member of the Ell (eleven-nineteen lysine-rich leukemia gene) family of RNA Pol II elongation factors, occupies enhancers in embryonic stem cells. Ell3s association with enhancers is required for setting up proper Pol II occupancy at the promoter-proximal regions of developmentally regulated genes and for the recruitment of the super elongation complex (SEC) to these loci following differentiation signals. Furthermore, Ell3 binding to inactive or poised enhancers is essential for stem cell specification. We have also detected the presence of Pol II and Ell3 in germ cell nuclei. These findings raise the possibility that transcription factors could prime gene expression by marking enhancers in ES cells or even as early as in the germ cell state.
