或許因?yàn)镈NA的光環(huán)太過(guò)璀璨，組蛋白生命活動(dòng)的控制威力始終“燈下黑”。很早人們便發(fā)現(xiàn)，DNA纏繞在組蛋白八聚體上，進(jìn)而構(gòu)成染色質(zhì)，然而，直到1996年前后，一直被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)“邊角料”的組蛋白才被發(fā)現(xiàn)也坐在掌控生命王朝的“金交椅”上。

猶如“美式普爾”桌球上己方的8枚關(guān)鍵球，組蛋白八聚體此前被認(rèn)為是坐等擊打的“呆球”，事實(shí)卻是，它們通過(guò)位置、角度（甲基化、乙酰化）等變換，牽引著DNA這根“球桿”的活動(dòng)，進(jìn)而控制生命進(jìn)程的“球局”。而兩位美國(guó)科學(xué)院院士、表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)者大衛(wèi)·阿里斯和邁克爾·格倫斯坦直擊“黑8號(hào)”落袋，開(kāi)創(chuàng)性地證明了基因表達(dá)受組蛋白化學(xué)修飾影響。

此前不久，他們因此項(xiàng)研究獲得2018年拉斯克獎(jiǎng)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。在2018年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)公布前，無(wú)數(shù)的預(yù)測(cè)版本中，阿里斯和格倫斯坦也一直是名單中的熱門(mén)人選。錯(cuò)過(guò)了今年的諾貝爾獎(jiǎng)，下一屆得主會(huì)不會(huì)是他們？了解組蛋白的影響力，或許能有所判斷。

不是“桿擊球”而是“球引桿”

在真核生物的細(xì)胞核中，DNA并非散亂堆放，而是每147個(gè)堿基對(duì)纏繞一組組蛋白，繞行約1.65圈，為一個(gè)重復(fù)單元，被稱為“核小體”。

就好像樂(lè)高玩具的組件，核小體和其他配件一起，通過(guò)大量的“拼插”“纏繞”，最終構(gòu)成松散的染色質(zhì)或者致密的染色體。

在示意圖中，組蛋白經(jīng)常被畫(huà)成小球，8個(gè)一組成為“線軸”，用來(lái)纏繞DNA。人們一直認(rèn)為組蛋白存在的意義，只是做為DNA的“支架”，并無(wú)實(shí)際功效。但1996年之后，這種觀點(diǎn)開(kāi)始受到質(zhì)疑。事實(shí)上，越來(lái)越多地研究表明，不只調(diào)控基因有“開(kāi)關(guān)”的功能，很多非基因的控制元件也在基因調(diào)控中發(fā)揮關(guān)鍵作用，組蛋白的調(diào)控力就是其中之一。

顯然，將組蛋白刻畫(huà)成呆板的“線軸”完全忽略了它“活動(dòng)”的能力。事實(shí)上，它們能退、能進(jìn)、能守，兩位獲獎(jiǎng)科學(xué)家從不同角度證明了組蛋白對(duì)DNA的表達(dá)有著掌控實(shí)力，揭開(kāi)了一個(gè)先前隱藏的基因調(diào)控機(jī)制。上世紀(jì)80年代開(kāi)始，格倫斯坦就通過(guò)對(duì)酵母的遺傳研究，確立了組蛋白和核小體在活體轉(zhuǎn)錄調(diào)控和染色體分離中的功能，并證明組蛋白極大地影響活細(xì)胞內(nèi)的基因活動(dòng)，為理解特定氨基酸在這一過(guò)程中的關(guān)鍵作用奠定了基礎(chǔ)。而阿里斯在四膜蟲(chóng)中發(fā)現(xiàn)了一種酶，能夠?qū)⑻囟ǖ幕瘜W(xué)基團(tuán)連接到組蛋白中的特定氨基酸上。這種組蛋白修飾酶被證明是一種已知的轉(zhuǎn)錄共激活物。

讓冷僻的染色質(zhì)研究熱門(mén)起來(lái)

“我拜訪的所有果蠅實(shí)驗(yàn)室都對(duì)染色質(zhì)研究毫無(wú)興趣。”阿里斯回憶了上世紀(jì)70年代自己博士畢業(yè)后研究方向受挫的經(jīng)歷，無(wú)奈之下，即使連四膜蟲(chóng)的英文單詞怎么拼都還不知道，他仍然接受了同事研究四膜蟲(chóng)的建議。

而格倫斯坦在拉斯克基金會(huì)制作的一段視頻中說(shuō)：“我進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域的時(shí)候，每個(gè)人都在研究基因活性，我想研究組裝材料。我不想走別人的路。”

涉足鮮有人研究的領(lǐng)域，材料獲得、研究方法都必須原創(chuàng)。阿里斯在回憶錄中寫(xiě)道，除了繁瑣海量的在數(shù)百種銀染凝膠實(shí)驗(yàn)中跟蹤乙酰基轉(zhuǎn)移酶活性的研究外，團(tuán)隊(duì)還獨(dú)創(chuàng)了乙酰基轉(zhuǎn)移酶膠內(nèi)檢測(cè)技術(shù)，直接在分離膠內(nèi)檢測(cè)酶的活性高低，將實(shí)驗(yàn)效率大大提升。

最終，阿里斯勉為其難選擇的四膜蟲(chóng)成為研究得以成功的“福星”。四膜蟲(chóng)中的組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶碰巧擁有比其他很多模式動(dòng)物高很多倍的酶活性，很方便做體外酶活實(shí)驗(yàn)，如果是在其他細(xì)胞中純化出的酶，未必會(huì)有如此結(jié)果。

隨后，四膜蟲(chóng)中的乙酰基轉(zhuǎn)移酶被分離獲得，并與麻省理工學(xué)院學(xué)者在酵母中獲得的有轉(zhuǎn)錄激活功能的因子同源匹配成功。不久之后，哈佛大學(xué)等學(xué)者也在哺乳動(dòng)物體內(nèi)找到了乙酰基轉(zhuǎn)移酶，進(jìn)一步證明組蛋白乙酰化對(duì)基因作用的“掌控力”，也使得人們認(rèn)識(shí)到這一領(lǐng)域的重要性，科學(xué)界對(duì)于染色質(zhì)的研究開(kāi)始興旺起來(lái)。

組蛋白的掌控力靠“密碼”發(fā)指令

“人的基因組含30億個(gè)堿基對(duì)，像一座延綿的萬(wàn)里長(zhǎng)城。去哪個(gè)城臺(tái)垛口去呢？需要特定記號(hào)，而擔(dān)任標(biāo)記作用的就有組蛋白乙酰化酶。以乙酰化為代表的記號(hào)能通過(guò)特定結(jié)構(gòu)域的識(shí)別，將調(diào)控因子靶向招募到特定基因組區(qū)域。”曾與阿里斯有過(guò)深度學(xué)術(shù)交流的清華大學(xué)教授李海濤解釋，首先要有組蛋白的變化，而它們通過(guò)甲基化、乙酰化等化學(xué)修飾承載和傳遞信息，“組蛋白乙酰化就是最早一類被研究的‘密碼’，這種密碼傳遞出的指令調(diào)控著基因表達(dá)。”

在細(xì)胞中，組蛋白的工作場(chǎng)所在哪里呢？“組蛋白的翻譯后修飾在細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞核中都有發(fā)生。但是大部分的組蛋白翻譯后修飾都是在細(xì)胞核中進(jìn)行的。”中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院研究員劉興國(guó)解釋，有些研究報(bào)道某些乙酰基轉(zhuǎn)移酶亦可在細(xì)胞質(zhì)定位，可以乙酰化新合成的組蛋白，從而影響組蛋白的插入。

尋找參與表觀密碼解讀的“閱讀器”（reader）被視為表觀遺傳學(xué)研究基本任務(wù)之一。例如，李海濤團(tuán)隊(duì)過(guò)去五年來(lái)，在《細(xì)胞》《自然》等雜志發(fā)文，先后發(fā)現(xiàn)了包括YEATS、PWWP、PHD鋅指等在內(nèi)的一系列“閱讀器”結(jié)構(gòu)域特異識(shí)別并解讀組蛋白修飾的分子基礎(chǔ)，揭示出數(shù)種新型組蛋白修飾交叉會(huì)話機(jī)制。

找到了操控發(fā)生的“源頭”和“場(chǎng)所”后，科學(xué)家尋找各種線索匯總到同一個(gè)場(chǎng)景中，做到對(duì)組蛋白調(diào)控的“情景再現(xiàn)”。“科學(xué)家們主要是繼續(xù)尋找新的組蛋白修飾及相關(guān)修飾酶，繼續(xù)深入研究組蛋白與染色質(zhì)結(jié)構(gòu)及基因轉(zhuǎn)錄的關(guān)系。”劉興國(guó)說(shuō)。

已在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)出“回響”

2015年，阿里斯在中國(guó)的一次學(xué)術(shù)演講中表示，一些組蛋白上發(fā)生的錯(cuò)誤引起了癌癥。而此前，一些遺傳性疾病的病因探索中，人們大多將目光放在非組蛋白突變上。“而組蛋白突變?cè)谌祟愔委熤挟a(chǎn)生了一個(gè)潛在領(lǐng)域，這是非常有益的。”阿里斯說(shuō)。

組蛋白修飾的基因表達(dá)調(diào)控作用已在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)出了洪亮的“回響”。隨著對(duì)組蛋白的理解不斷深入，藥物研發(fā)人員提出了新的癌癥治療方法，如默克公司用于治療皮膚癌的伏立諾他（Zolinza)，就是組蛋白脫乙酰酶（HDAC）抑制劑，已于2016年獲得美國(guó)食品與藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)上市，更多類似藥物也已進(jìn)入臨床試驗(yàn)。

“目前將表觀遺傳實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)向臨床轉(zhuǎn)化是研究熱點(diǎn)，同時(shí)也存在很多挑戰(zhàn)。”劉興國(guó)表示，例如由于表觀遺傳的復(fù)雜性，單個(gè)基因的突變可能引起整個(gè)基因組范圍內(nèi)表觀修飾的變化，從而影響轉(zhuǎn)錄、復(fù)制、DNA修復(fù)等多個(gè)細(xì)胞過(guò)程，因此藥物的影響更需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑u(píng)估。此外，由于每類表觀遺傳因子家族蛋白結(jié)構(gòu)相似，抑制劑的特異性也是非常大的挑戰(zhàn)。

“此外，將組蛋白的作用納入到生命進(jìn)程的解碼中，還攻克了多年難以完成的克隆猴工作。”李海濤說(shuō)。

相關(guān)資料顯示，近年來(lái)由哈佛大學(xué)張毅教授與同濟(jì)大學(xué)高紹榮教授的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，體細(xì)胞克隆胚胎發(fā)育的主要障礙之一是，克隆胚胎基因組上大量賴氨酸三甲基化的存在。因此，我國(guó)完成“中中”“華華”克隆猴培育工作的孫強(qiáng)團(tuán)隊(duì)，在克隆過(guò)程中注射了去甲基化酶和組蛋白去乙酰化酶抑制劑，大大提高了克隆效率，最終獲得成功。