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《转》访复旦大学于文强教授:从表观遗传学研究中谈科研创新与自信!

首页 » 《转》访 2018-05-30 转化医学网 赞(6)
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导读
复旦生物医学研究院表观遗传学中心PI于文强教授,多年来一直在国际著名大学的表观遗传实验室与该领域的顶尖级科学家共同从事表观遗传学研究,取得了许多杰出的研究成果,转化医学网为此专门采访了于文强教授。



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复旦生物医学研究院表观遗传学中心PI于文强教授,多年来一直在国际著名大学的表观遗传实验室与该领域的顶尖级科学家共同从事表观遗传学研究,取得了许多杰出的研究成果,转化医学网为此专门采访了于文强教授。


新兴学科--表观遗传学发展迅猛!

表观遗传学的概念,最早于提出20世纪40年代,中间经历30年的沉寂,到70年代中期被重新认识,到90年代后才开始迅猛发展,作为2000年后逐渐兴起的新学科,国内外的竞争非常激烈。


表观遗传学(epigenetics)这个专业术语是由研究胚胎发育的英国生物学家沃丁顿提出,他当时在植物中发现一种现象:第一代植物耐盐碱或耐旱的特性,会在下一代或是几代后表现出来,说明环境改变导致植物产生的某种特性是可以遗传的。“epi”意为在......上面,“genetic”意为遗传学,在生物学和医学中“epi”常被译为“表”的意思,例如epidermis(表皮),epirubicin(表阿霉素)等,此外,“epi”这个前缀也常与遗传学术语结合组成新的名词,例如epigenome(表观基因组)和epigenotype(表观基因型)。


生命之存在--经典遗传学与表观遗传学


基因组含有两类遗传信息,一类是传统意义上的遗传信息,即基因组DNA序列所提供的遗传信息,提供生命必需蛋白质的模板;另一类则是表观遗传学信息,即基因组DNA的修饰,它提供了何时、何地、以何种方式去应用DNA遗传信息的指令,它的特性是可遗传、可逆,且这种可遗传的表型是不能用DNA 序列改变解释 。表观遗传学主要包括 DNA 甲基化,组蛋白修饰,染色质重塑,RNA调控。


经典遗传学非常容易理解,我们从父母那里继承的DNA序列,在我们短暂而又漫长的人生中,它们几乎不会变化,类似于种瓜得瓜、种豆得豆、龙生龙凤生凤的道理。表观遗传是不确定的,是环境和生命之间的相互作用形成的,是一种超越了遗传学的概念。生物体中内在表观遗传学变化是生命自身对外界环境的忠实记录和总结,从这个意义上来说,表观遗传学是连接生命衍变与环境响应的桥梁。


人体DNA序列的A、T、C、G 4种碱基,其甲基化一般发生在胞嘧啶上,利用DNA甲基化抗体进行免疫荧光检测发现,在胚胎发育早期全基因组DNA甲基化明显减少,父原核的DNA甲基化最先去除,在四细胞期DNA甲基化仅剩下为数不多的荧光斑点,这种低甲基化状态一直维持到囊胚期,当胚胎在子宫着床后DNA甲基化迅速得以恢复。不过,事实上,胚胎细胞的DNA甲基化并不是全部去除,大约会保留20%。DNA甲基化作为重要的表观遗传学标志,其在胚胎早期的变化揭示了我们个体不同于父母的表观遗传学修饰。例如同卵双胞胎,他们有着完全相同的DNA序列,而且共享同一个子宫,但是他们具有表型差异和疾病易感性等各方面的差异。


过去我们的研究都集中在经典遗传学上,对于环境这种不太确定的因素研究不太多,因为很难量化。比如基因测序,从遗传学的角度去预测可能会有得哪种疾病或者说是癌症的风险等等,但实质上有些人会得,有些人就不会得。从基因角度不能够解释,这就需要从环境因素的角度去阐述,就像前面所说的植物耐旱耐盐碱的特性,也并不是每代每株都会遗传,它是不确定的,可以是跨代遗传。目前关于表观遗传学的跨代遗传的研究,在低等生物线虫中做过,它可以将这种环境因素导致的基因往下传大概18至20代左右。现在的疾病,跟环境有很大关系,比如抽烟,可能对你目前没有太大的影响,但是对于你的后代来讲,已经埋下了隐患。


没有争论就没有进步--DNA甲基化和肿瘤的关系


关于疾病,目前单单从DNA 序列上研究病因是片面的,有可能会事倍功半,对于有些疾病甚至永远也找不到答案。肿瘤的发生过程中一种学说叫“bad luck”学说,即每个人都有得肿瘤的概率,得肿瘤并不是上帝决定,或者遗传决定,有可能这只是你的“bad luck”。


遗传学与表观遗传学两种机制相互交叉存在,共同促进了肿瘤的形成。


遗传学机制通过DNA核苷酸序列改变而形成突变,而且肿瘤作为一种遗传学疾病在分子生物学领域已经得到证实。


表观遗传学机制,即不依赖DNA序列改变导致基因表达水平的变化。DNA甲基化与正常胚胎发育、生长等有关,而DNA异常甲基化与多种肿瘤的发生和发展密切相关。DNA低甲基化是在人类肿瘤中最早的被发现的表观遗传异常。肿瘤的表观遗传学领域有一场争论,1983年,Andrew Feinberg 发现肿瘤细胞中存在全基因组的DNA低甲基化现象; 而在1985年,Stephen Baylin发现肿瘤抑制基因的启动子高甲基化导致了肿瘤抑制基因的沉默;结论相反?争论持续到 1998年,Andrew Feinberg发现肿瘤细胞的全基因组DNA低甲基化导致肿瘤的基因组DNA不稳定,从而诠释了肿瘤DNA低甲基化与肿瘤发生的内在联系,人们至此才认识到:肿瘤的全基因组DNA低甲基化和局部高甲基化共同参与了肿瘤的发生。


这正如光的波粒二象性、体液免疫和细胞免疫的学说争论一样,有争论才会有进步!


DNA异常甲基化在肿瘤发生的早期就可出现,并且在肿瘤逐步发展的过程中,基因的甲基化异常的程度进一步增加,因此可从基因的甲基化中筛选出用于临床肿瘤诊断的特异DNA甲基化分子标记物。


科研创新与自信--核内miRNA与增强子


人类第一个有关miRNA失调的疾病是慢性淋巴细胞白血病。微小核糖核酸microRNA(miRNA)是一种小的内源性非编码RNA分子,约由21-25个核苷酸组成。这些小的miRNA通常靶向一个或者多个mRNA,通过翻译水平的抑制或断裂靶标mRNAs而下调基因的表达。最初在线虫体内发现,并广泛存在于真核生物中。1993年,Lee,Feinbaum和Ambros等人发现在线虫体内存在一种RNA(lin-4),是一种不编码蛋白但可以生成一对小的RNA转录本,每一个转录本能在翻译水平通过抑制一种核蛋白lin-14的表达而调节了线虫的幼虫发育进程。对于出现这种现象的原因,科学家们猜测是由于基因lin-14的mRNA的3'UTR区独特的重复序列和lin-4之间有部分的序列互补造成的。在第一幼虫阶段的末期降低lin-14的表达将启动发育进程进入第二幼虫阶段。7年后也就是2000年,科学家才又发现了第二个miRNA-let-7,它类似于lin-4,同样可以调节线虫的发育进程。 进一步探索发现这是一个领域,至今为止在动植物和一些病毒中发现了有3000多个miRNA,其中人体内约为1800个以上。这些miRNA中大部分在动物体内都起着关键性的调控作用,是最主要的基因表达调控因子之一,据估计人体内大约2/3的基因都受到某个或一组miRNA的调控。“目前知道的,不仅在胞浆,还存在于胞核中,我们实验室也做,而且发现了miRNA激活机制”。


“我们发现细胞核内miRNA可通过激活增强子进而发挥系统性的基因激活作用,并证明细胞核内miRNA激活基因表达具有普遍性的意义,也就说miRNA的功能具有两面性,当miRNA在细胞浆时,它可以通过传统的机制结合靶基因的3’UTR抑制基因的表达,而细胞核内的miRNA则通过激活增强子发挥系统性的基因激活作用。不过在既有理论中,miRNA抑制理论占有绝对优势地位,而其激活研究则显得形单影只,难以获得人们支持,因此文章在发表过程中四处碰壁,投稿过程充满艰辛。直到2015年4月,我们将研究结果投往RNA Biology杂志,在审稿中,审稿人坚决不同意我们对这类miRNA激活现象重新命名为NamiRNA(Nuclear Activating miRNA)。后来鉴于这类miRNA的功能与增强子有关,我们改名为CemiRNA( Enhancer associated miRNA ),但是最后还是被审稿人否决。”


“没有命名权,就不可能有话语权!折腾下来,我们补实验投稿,再补实验再投稿,文章增加到60多页,图表80多幅。前后经过三轮审稿,又补了许多实验,才在2015年10月份被RNA biology杂志接收发表。”


后来,2017年3月份,诺贝尔生理或医学奖的麻省理工学院教授Phillip Sharp在Cell杂志发文称,通过生物信息学分析发现增强子与miRNA的表达密切相关。而超级增强子介导的miRNA表达与组织特异性的形成有关。“他们的结果和分析不仅验证了我们的已发表的研究发现,并进一步支持我们提出的miRNA激活理论”。


虽然我们的文章在低影响因子的杂志发表,我不认为这有什么,如果以杂志的影响因子来判断一项研究成果的价值,那我们的miRNA激活研究就失去了意义,更谈不上什么科研成果。我们也在不断地将研究成果在许多国际和国内会议和研究机构去展示,也得到了许多正面的反馈。例如2016年冷泉港亚洲的RNA biology国际会议,2017年3月美国加州举行的Gordon Research Conference(美国生命科学研究领域三大顶级国际会议之一)大会等。今年5月份,我们再次在美国纽约冷泉港的“Regulatory& Non Coding RNA”会议上报告我们的有关NamiRNA的最新研究结果,引起与会者极大兴趣,我相信会有更多人投入到miRNA激活基因的研究领域,人们也必然会重新审视miRNA的新功能。”


科学研究中颠覆性发现从来都是充满艰辛和曲折,只有通过质疑和争论,科学才能进步!


编者语

科学是对未知的发现,是对事物从认识到实践,不断深入的过程,质疑是科学家应有的基本科研态度,质疑的目的是求真。我们相信,只要保持不卑不亢的科研态度,努力总会有收获。


于文强教授


于文强教授


博士, 博士生导师 ,国家“973”项目首席科学家 ,复旦生物医学研究院表观遗传学中心PI,长江学者特聘教授。复旦大学特聘研究员,国家 “973”计划“染色质解码的基础及医学应用基础研究”项目首席科学家。1989年毕业于第四军医大学获医学学士学位,2001年在第四军医大学获博士学位,2001-2007年在瑞典Uppsala 大学和美国Johns Hopkins大学博士后。2007年11月任美国哥伦比亚大学Faculty和 Associate Research Scientist。研究成果发表在Nature、Nature Genetics、 JAMA等杂志。


(转化医学网360zhyx.com)


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