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在果蝇和人类遗传学中时间就是一切

每一只动物都以细胞丛开始,随着时间的推移,这些细胞会繁殖并成熟为许多不同类型的细胞,组织和器官。这是基础生物学。然而,这个过程的细节仍然很大程度上是神秘的。现在,北卡罗来纳大学教堂山分校的科学家们已经开始解开这个谜团的重要部分。

在果蝇和人类遗传学中时间就是一切

利用果蝇果蝇(Drosophila)作为研究动物生物学的标准实验室模型,研究人员发现了一系列分子信号,它们对基因活动进行编程,将苍蝇从成熟阶段推向下一阶段,就像婴儿变成成年人一样。他们发现,这项计划的一部分涉及DNA包装方式的改变。这些改变打开了某些DNA区域以允许基因活动并封闭其他区域以防止基因活动。科学家们发现了DNA可及性的这些变化依次发生的证据。

“我们终于开始研究生物学的核心机制之一,它确定了我们基因水平的正常动物发育事件的时间和顺序,”UNC遗传学助理教授Daniel J. McKay博士说。 UNC艺术与科学学院医学与生物学院。

这一基本的生物学发现也对人类健康具有重要意义。科学家在幼蝇中观察到的细胞重编程的变化可能在成人细胞中不适当地发生 - 例如刺激癌症。

“我们希望这项工作能够帮助我们更好地了解癌症和其他疾病的症状,”麦凯说。

在发表于Genes&Development的研究中,McKay及其同事首先研究了果蝇激素蜕皮激素的分子影响,它导致幼虫脱落其旧形态,并在成熟时采用新的昆虫。

科学家们知道,蜕皮激素与整个昆虫体内细胞核中的一种受体EcR结合。EcR是转录因子,是遗传主开关。当被蜕皮激素结合时,它会打开一组特定的基因。而这些基因又参与了蛋白质的发展 - 生物学的机器。

通过分析果蝇翅细胞,McKay及其同事发现了通过这些基因活动变化的级联发生翅膀发育的证据。

“我们发现第一级基因对蜕皮激素立即作出反应,然后它们与EcR一起激活第二层基因,然后这两个基因一起运作,共同作用于第三层,”麦凯说。“因此,我们观察到基因表达的这些波动,推动了翼组织的发展。”

使用全基因组测序技术,McKay团队发现基因表达的这些变化与DNA“包装”方式的变化有关。

DNA在称为组蛋白的支持蛋白质周围环绕,这种组蛋白-DNA组合称为染色质。

当染色质相对松散和开放时,基因可以变得活跃。当染色质紧密且闭合时,基因大部分都是沉默的。McKay及其同事发现,蜕皮激素激活一些基因以产生打开或关闭染色质的特殊转录因子蛋白。这种染色质的改变代表了细胞的基本重编程。

McKay及其同事在之前的研究中表明,果蝇中染色质可及性的模式在发育过程中似乎发生了显着变化,但在飞行组织的任何给定时间都非常相似。

对于科学家来说,这些研究结果共同表明,染色质的变化导致基因活动的级联,从而促进苍蝇的发育。也就是说,随着时间的推移,染色质的变化将有助于加强生物发育过程中正在进行的各种过程的时间安排。这些变化代表了一种重要的发展机制,可能在人类中发挥作用。

McKay和他的团队计划进一步研究如何改变染色质可及性和基因活性的这些级联如何从苍蝇的一部分到另一部分不同。

正如麦凯指出的那样,这一研究领域可能具有超越发育生物学的相关性。生长和存活基因的表达在早期生物发育期间是正常的- 当我们年轻时。但是,例如,癌细胞使用这些基因来维持失控的增殖以引起疾病。

因此,了解打开或关闭染色质的分子因子- 并允许或关闭这些强大基因的活性- 可以让生物学家更好地了解癌症是如何产生的。与知识的武装,科学家们可以尝试创建与对抗癌症的更精确的武器细胞。

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