蠕虫的胚胎细胞如何改变其发育潜力

研究人员已经发现了蛔虫染色体内的特定蛋白质如何使它们的后代能够在几代人后产生专门的细胞，这一惊人的发现颠覆了经典思维，即细胞分化的遗传信息大多根深蒂固地存在于DNA和其他遗传因素中。

约翰霍普金斯大学的研究小组首次报告了一种称为组蛋白H3的蛋白质控制蠕虫胚胎何时以及如何产生高度特异性细胞和多能细胞的机制，这些细胞可以打开和关闭某些基因以产生不同种类的身体组织。详情今天发表在《科学进展》上。

这项新研究可以揭示与这些蛋白质相关的突变如何影响各种疾病。例如，在儿童和年轻人中，组蛋白H3与各种癌症密切相关。

“这些突变在不同的癌症中非常普遍，因此了解它们在调节细胞命运和组织潜在分化中的正常作用可能有助于我们理解为什么其中一些在某些疾病中更为普遍，”主要作者Ryan J. Gleason说，约翰霍普金斯大学生物学博士后研究员。“我们正在研究的组蛋白是癌症和其他疾病中变异程度最高的蛋白质。

组蛋白是染色质的组成部分，染色质是细胞核内染色体的结构支持。虽然组蛋白H3在植物和动物等多细胞生物中特别丰富，但单细胞生物充满了几乎相同的H3变体。这就是为什么科学家认为H3及其变体的比例差异为为什么多能细胞在早期发育期间如此通用的谜团提供了关键线索。

研究人员发现，随着秀丽隐杆线虫蛔虫胚胎的生长，其系统中H3水平的增加限制了其多能细胞的潜力或“可塑性”。当研究小组改变蠕虫的基因组以降低H3的数量时，他们成功地延长了通常在老年胚胎中丢失的多能性的时间窗口。

“随着细胞分化，你开始在那个时间段表达一百倍的组蛋白H3，这与谱系特异性调控相吻合，”格里森说。“当你在胚胎发生过程中降低H3的数量时，我们能够改变正常的发育路径，采用细胞命运的替代路径。

在多能细胞中，组蛋白有助于打开和关闭某些基因，以致力于特定的细胞类型，无论是神经元、肌肉还是其他组织。基因受到组蛋白的高度调控，充当告诉细胞如何发育的声音。基因的安静或响亮程度决定了细胞的命运。

新发现来自基因编辑技术CRISPR，该技术帮助研究小组追踪了两种组蛋白在蠕虫后代发育过程中所起的作用。格里森说，在过去的十年中，CRISPR使科学家更容易研究改变遗传物质的具体细节，并发现这对动物，植物和微生物性状的影响。

尽管秀丽隐杆线虫蛔虫对这些多能细胞如何进化提供了更深入的见解，但需要进一步的研究来归零组蛋白如何支持由数百种细胞组成的人类和动物的胚胎发生，约翰霍普金斯大学生物学教授和共同研究员Xin Chen说。

“尽管我们正在利用这种小蠕虫来做出这些发现，但实际上这一发现不应该特定于一种动物，”陈说。“很难想象这些发现只适用于一种组蛋白或一种动物，但当然，还需要做更多的研究。

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