還有“永生”的DNA鏈？（3）

朱欽士 （美國南加州大學醫學院）

（上接2021年第5 期第17 頁）

7 干細胞還選擇性地保留表觀遺傳修飾

細胞的命運和性質歸根結底是由基因的表達狀況決定的。動物體內所有的細胞都含有完全相同的DNA，之所以有些細胞成為未分化或分化程度較低的干細胞，有些細胞成為組成身體的各種體細胞，就是因為這些細胞中基因表達的情形不一樣。不同的基因表達生成不同的蛋白質，執行不同的功能，使得每種細胞都有其特性。

在這方面，保留DNA“原始文件”中核苷酸的序列無疑非常重要，它保證基因表達的產物，蛋白質中氨基酸的序列保持不變，也保證基因“開關”的序列保持不變。但影響基因表達狀況的，不僅是DNA 的核苷酸序列，還有DNA 序列中堿基被修飾的狀況和與DNA 結合的蛋白質被修飾的狀況。這些修飾發生在核苷酸的序列之外，稱為“表觀遺傳修飾”（epigenetic modifications），其中的“epi-”就是“上”和“外”的意思。

DNA 序列中堿基的修飾主要是在一些胞嘧啶（cytosine）的5 位加上1個甲基（-CH3），稱為DNA 的“甲基化”（methylation），其作用主要是屏蔽基因的啟動子，使其不能發揮功能。基因的啟動子（promoter）也是DNA 序列，通過結合轉錄因子（transcription factors，控制基因開關的蛋白質）發揮作用。不同的轉錄因子有不同的結合序列，例如，轉錄因子AP-1 的結合序列為5′-TGACTCA-3′，轉錄因子SP1 的結合序列為5′-GGGCGGG-3′。不同基因的啟動子含有不同的轉錄因子的結合序列，使得每種基因在細胞中都有其獨特的表達方式。胞嘧啶的甲基化，相當于給這個堿基戴頂“帽子”，使得轉錄因子“不認識”原的結合序列，基因表達也會受到影響。啟動子區域胞嘧啶的甲基化一般都與基因的表達程度降低有關。

除胞嘧啶的甲基化，胞嘧啶還可被羥甲基化，即在胞嘧啶上加上1 個羥甲基（HOCH2-），其功能主要是控制DNA 的甲基化程度。

表觀遺傳修飾的第2 種類型是對組蛋白加以修飾，其中又包括多種形式，例如，甲基化、乙酰化與磷酸化。真核細胞中的DNA 并不是裸露的，而是和組蛋白（histones）結合，組成“染色質”（chromatid）。與DNA 結合的組蛋白主要有4 種，分別是H2A、H2B、H3 和H4，它們在一起組成球形的8 聚體，其中每種組蛋白有2 個分子。在細胞分裂時，染色質高度濃縮，才成為在顯微鏡下容易觀察到的“染色體”（chromosome）。前文談及的細胞分裂時DNA 的分配，其實是分裂期染色體的分配，分配的不僅是DNA，還包括與之結合的組蛋白及其修飾狀態。

組蛋白的修飾狀態對基因表達也有很大的影響。如果染色質的一部分是緊密包裹的，這部分的DNA 就被“隱藏”，轉錄因子無法與啟動子結合，基因也無法表達。使染色質松弛的一種手段就是組蛋白的乙酰化，在賴氨酸側鏈的氨基（-NH3+）上加上乙酰基（CH3CHO-）。氨基在中性pH 值條件下是帶正電的，有助于組蛋白與帶負電的DNA 結合。在氨基上加上乙酰基，相當于是“屏蔽”氨基所帶的正電，使得組蛋白與DNA 的結合不太緊密，染色質散開，DNA 鏈暴露出，轉錄因子和RNA 聚合酶就可結合至基因上，啟動基因的表達。

除組蛋白的乙酰化，組蛋白中側鏈上的賴氨酸和精氨酸上的氨基還可被甲基化，而且在氨基上還可加上不止一個甲基。這些被甲基化的氨基多數成為其他蛋白或蛋白復合物的“招募”點，使它們參與染色質有關的各種活動，例如，組蛋白4（H4）第20 位的賴氨酸加上一個甲基（H3K4me1，其中K 代表賴氨酸，me 代表甲基methyl，1 表示加上一個甲基）使染色質包裹緊密，抑制基因表達，在同一個氨基上加上2 個甲基（H3K20me2）與DNA 損傷的修復有關，而在H3 第4 位的賴氨酸上加上2 個或3 個甲基（H3K4me2 和H3K4me3）就與基因的活化有關。

組蛋白中絲氨酸（serine）、纈氨酸（threonine）和酪氨酸（tyrosine）上的羥基（-OH）上還可加上一個磷酸根，稱為組蛋白的磷酸化（histone phosphorylation）。與甲基化的賴氨酸和精氨酸的作用類似，這些磷酸化的氨基酸也作為其他蛋白的招募點，參與和染色質有關的各種活動。例如，H2第32 位的絲氨酸的磷酸化（H2S32ph，其中S 代表絲氨酸，ph 代表磷酸根）就與上皮生長因子（EGF）基因的表達有關，H3S10ph 和H2BS32ph 就與c-fos、c-jun和c-myc等基因的表達有關。

干細胞和體細胞在組蛋白的修飾上各有特點，因此，干細胞所保留的高“輩分”的DNA，其實也包括這份DNA 的甲基化狀況和與之結合的組蛋白的修飾狀況。由于細胞的特性是由基因表達狀況決定的，保留干細胞原的表觀遺傳修飾，也就保留干細胞的特性。

例如，2013年，美國波士頓生物醫學研究所的James Sherley 用BrdU 標記小鼠毛囊細胞，在96 h（大約4～5 次細胞分裂）后用免疫熒光染色法檢查甲基化胞嘧啶和羥甲基化胞嘧啶的含量，發現保留BrdU 信號的細胞，即毛囊干細胞，富含羥甲基化的胞嘧啶，而細胞對中的另一個細胞（即要進行分化的細胞）含有很少的BrdU 信號和羥甲基化的胞嘧啶。甲基化的胞嘧啶的含量在2個細胞核中的含量則差別不大，說明含“永生”DNA 鏈的染色質富含羥甲基化的胞嘧啶。

（待續）