在进化上相对保守的表观遗传学印记

在进化上相对保守的表观遗传学印记现在已经清楚，哺乳动物发育早期广泛存在着复制时序差异。而且，通过对比来自于果蝇胚胎或成虫盘的两种培养细胞系发现了在复制时序上存在有大约20％的差异，这说明，在高等真核生物的发育过程中，复制时序亦普遍存在变化。但是，这些改变是对于动物的发育有意义的，还是说它们对于有机体的适应性来说只是不具重要意义的一种随机事件?我们目前对于复制调控机制的了解还不足以采用直接的手段来回答这一问题，取而代之的方法是评估在进化过程中特定细胞种类的复制时序是否赢得选择。为了达到这个目的，我们把研究扩展到了人的胚胎干细胞分化。与小鼠中获得的数据一样，我们发现多种人ES细胞系具有几乎完全相同的复制时序谱并在分化成NPC的过程中有大约20％的基因组发生时序改变(T．Ryba、I．H．和D．M．G，未发表)。与小鼠中相似，复制时序的改变通常都发生在染色体上400～800kb的区域内，这说明，可能存在着一种保守的复制时序改变的单元，而这一单元很可能同步调节着至少2～3个复制子。与上述相似点相对，人的胚胎干细胞与小鼠胚胎干细胞中进化保守的同源基因间却表现出明显不同的复制时序谱(T．Ryba、I．H．和D．M．G，未发表)。事实上，这些区域的复制时序谱与来源于胚胎植入后的小鼠外胚层的干细胞——EpiSC(外胚层源于细胞)的谱系更为接近了。这一观察也在基因组分析水平上为将人胚胎干细胞定义来源于外胚层样阶段的假说提供了支持，而小鼠的胚胎干细胞则来源于处于外胚层样阶段上游的内细胞团(ICM)样阶段(T·Ryba、I-H．和D．M．G，未发表)。除此以外，人的细胞中早期复制与GC含量的相关性较低，同时人和小鼠基因组间的GC含量远不及复制时序保守(T．Ryba、I．H．和D．M．G，未发表)。最近还未发表的数据对比了亲缘关系较远的裂殖酵母菌(N．Rhlnd，个人通讯)和出芽酵母菌(K．undstrc，m和B.Brc-wer，个人通讯)，发现这两种酵母菌间虽然缺乏保守的复制起始位点，但却具有相当保守的复制时序程序。这与之前的许多观察结果发现复制时序与复制起始点无明确关系的结论相一致。例如，人的争球蛋白基因座通常从两个在空间上相邻的复制起始子中的一个开始复制，而小鼠的争球蛋白基因座复制则使用更分散的复制起始子，但人和小鼠的争球蛋白基因座的复制时序仍是保守的。除此以外，在每个细胞周期的G1期的特定时间点(TDP；定时决定点)染色体结构域的复制时序都会发生重建，复制起始位点的确定发生于(G1期晚期的ODP(原始决定位点)，而TDP时间点发生则早于且独立于复制起始位点确定之前一。总之，这些发现表明，进化过程对于复制时序程序的正向选择较之对于基因组GC含量或复制起始位置的选择更严格。复制时序的意义，以及它是否反映了与其他与进化选择压力有关的染色体性质之间的机制性关联还有待进一步探索。例如，早期复制与转录活性区、转录活化染色质(H3K4me3、H3K36me3)及非活化染色质(H3K9me2)(虽然不是与已知的非活化修饰染色质H3K9me3、H3K27me3)的组蛋白修饰有明确关系。然而，去除几个染色质修饰酶(如Mll、Mbd3、Eed、Suv39h1／h2、G9a、Dnmtl/3a／3b、Dicer)却对复制时序只产生很微小的影响。最近一项在裂殖酵母菌中的研究显示，异染色质蛋白1(HP1)的同源分子——Swi6通过加载复制起始因子Sld3来调节复制时序。虽然在哺乳动物细胞中尚未有Sld3同源分子的报道，并且HP1分子似乎也不参与调节小鼠着丝点附近异染色质的晚期复制时序，在裂殖酵母中的研究结果提示了一种有意义的可能，即作用于结构域的染色质因子可以通过调控对复制起始因子结合来调控复制时序。例如，间接观察提示，组蛋白H1及HMG-I／Y蛋白在大染色体片段上的竞争可以调控分化过程中的复制时序。