基于FRET的生物传感器照亮表观遗传学

表观遗传学最近上了头条，像表观遗传效应对棕榈油工业的潜在破坏在自然的封面．那么什么是表观遗传学，有什么工具可以研究它?

表观遗传学是研究基因表达中不涉及任何DNA序列改变的可遗传变化(表观遗传学字面意思是“在基因组之上”)。表观遗传修饰可以导致表型改变而不改变基因型。表观遗传修饰在基因的“关闭”和“打开”中发挥着重要作用，指示哪些基因应该被细胞机制“读取”。这就是为什么身体中的大多数细胞都含有相同的DNA，但却有非常不同的结构和功能，并在一个有机体中具有特殊的作用。

表观遗传修饰机制

表观遗传修饰的主要机制是染色质重塑。染色质是DNA和组蛋白的复合体，它将细胞DNA压缩成染色体，降低DNA损伤的危险。如果DNA包裹组蛋白的方式改变，那么基因表达也会改变。DNA与组蛋白结合得越频繁、越紧密，组蛋白就越紧密。这阻止了细胞机制在物理上与紧致区域的基因相互作用，并导致基因表达的缺失。这样，在紧凑区域的基因基本上是“沉默”的。

染色质重塑可能发生的两个主要机制,通过组蛋白修饰,可以影响基因转录的RNA聚合酶II,或添加甲基-组的DNA,这主要发生在CpG岛(区域的DNA的高频C和G核苷酸)。CpG岛中胞嘧啶向5-甲基胞嘧啶的转化降低了基因的转录活性。

表观遗传学在疾病研究中的作用

研究发现，表观遗传变化在各种疾病中发挥着重要作用，从癌症、糖尿病到先天性疾病。

一个系列的研究在瑞典的一个孤立人群中进行的一项研究发现，在青春期之前经历过饥荒的祖父将一种遗传性状遗传给了孙辈，这种遗传性状降低了孙辈死于心血管疾病的可能性，但增加了他们死于糖尿病的风险。相反，在母亲子宫中经历过饥荒的祖母将一种特征遗传给了孙女，从而缩短了她们的寿命。因为这些戏剧性的情况是在祖父母的配子发育的时期经历的，一种表观遗传变化被认为已经发生并传递给了孙辈;在本研究中，表观遗传变化与寿命缩短在统计学上显著相关，但没有发现DNA序列的变化。

如Angelman综合征和二氏综合征它们的疾病表型非常不同，是表观遗传学以印迹形式存在的两个迷人的例子。在印迹技术中，基因的一个拷贝(母本或父本)会因为甲基的加入而被沉默，因此只有父本或母本的基因拷贝在正常个体中被表达(以特定的亲本方式)，但是两个拷贝的表达或沉默会导致疾病，因为太多或太少的基因产物会破坏正常的功能。

安杰曼综合症的特征是智力和发育障碍，动作不灵活，自发的笑或微笑，而普瑞德-威利综合症的特征是肌肉张力低，身材矮小，认知障碍，问题行为，以及长期的饥饿感，这可能导致过度饮食和肥胖。有趣的是，这两种症状都可以在没有任何DNA变化的情况下出现，而且都涉及到15号染色体的同一区域。它们都是由于15号染色体的一个副本上的基因失活造成的(Angelman综合征的母亲副本，普瑞德-威利综合征的父亲副本)。在这两种情况下，染色体的另一个副本通常被标记并沉默，因此综合症是由于同一区域(但不是完全相同的基因)缺乏相应的基因产物而导致的，在这两种情况下都被不当沉默。在这两种疾病中，来自15号染色体的两个副本的基因都失活了，但不同的表型取决于这些不正确的印迹基因是来自母亲还是父亲。

许多癌症的DNA甲基化模式发生了戏剧性的变化，要么大幅增加，要么大幅减少。抑癌基因启动子区CpG岛的高甲基化可以抑制其转录并使其失活．全球hypomethylation，另一方面，也一直是与发展和进程有关的通过不同的机制

基于FRET的新工具来研究表观遗传学

表观遗传学研究使用广泛的分子生物学技术，以进一步了解表观遗传学;技术包括染色质免疫沉淀反应，荧光现场杂交，甲基化敏感限制性内切酶消化，DNA腺嘌呤甲基转移酶鉴定,酸性亚硫酸盐测序．然而，这些技术都不能用于现场实时动态修饰的研究，对表观遗传随时间变化的研究提出了巨大的挑战。到目前为止，这一挑战很难克服。

爱丽丝Ting的实验室有没有开发出一种新的，基于质粒的生物传感器观察活细胞中组蛋白甲基化的变化。本质上，该报告构建由一个底物(组蛋白衍生的肽)组成，它可以将构建物特异性定位于感兴趣的组蛋白(在上图中，H3在K9或K27)。通过一个灵活的连接器连接到它的是一个甲基赖氨酸结合结构域(染色体结构域)，它选择性地结合赖氨酸甲基化的肽。这个结构在a的中间烦恼Pair，用来将结果形象化。当组蛋白衍生的肽发生甲基化时，甲基赖氨酸结合域引起结构变化(由柔性连接器促进)，将FRET对的荧光单位结合在一起，并导致FRET信号增加。随后的去甲基化将荧光单元分离，从而再次降低FRET信号。

这项新技术开辟了一种可视化基因表达变化的新方法，并可能导致一种全新的研究表观遗传学的方法的发展。这可能会对我们研究和治疗复杂或多因素疾病的方式产生巨大影响，使诊断和治疗更快，并改善患者的生活。

参考文献

2.毕格伦，拉斯·欧，等。“祖父祖母早期食物供应的变化影响了女孙辈的心血管死亡率。”BMC遗传学15.1(2014): 12。PubMedPMID:24552514．公共医学中心PMCID:PMC3929550．

3.卡蒂，贡纳，拉尔斯·o·拜格伦和索伦·埃德文森。“在父母和祖父母的生长缓慢时期，由营养决定的心血管和糖尿病死亡率。”欧洲人类遗传学杂志10.11(2002): 682 - 688。PubMedPMID:12404098．

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