技术指南：高通量表观遗传学分析

幸运的是，科学家们发现了越来越多表观遗传学的分子机制，这其中部分归功于技术的发展，全基因组测序技术能帮助研究人员绘制了整个基因组中出现的表观遗传变化，而高通量方法如液相色谱和质谱，也可以同时追踪数百种代谢物的变化。

生物通报道：“钉”在DNA或组蛋白上的化学基团具有重要的意义，能调节基因表达的方式和时间。研究发现环境信号可以改变这些表观遗传标记的位置，但是目前研究人员难以确定饮食，炎症或社会压力等现象是如何转化为调节基因功能的信号的。

经过几十年的研究，科学家们已经发现某些新陈代谢如何产生表观遗传效应，例如，在糖或蛋白质消化过程中形成的分解产物可以转化为化学标记，表观遗传修饰DNA或组蛋白。但是，即使是将葡萄糖转化为细胞燃料这样基础性的过程，也可以通过不同的途径发生，这些途径会基于细胞的直接环境和状态而发生动态变化。因此，癌细胞和健康人细胞可能会以不同的方式消化糖，从而出现不同的代谢物，制造出的表观遗传标记也不同。

了解哪些代谢物可以调控基因功能，以及是否通过表观遗传方式，与转录因子还是其他途径结合，这些都是研发更好药物的关键所在。

幸运的是，近期研究人员发现了代谢如何改变表观遗传学的机制，这其中部分归功于技术的发展，全基因组测序技术帮助研究人员绘制了整个基因组中出现的表观遗传变化，而高通量方法如液相色谱和质谱，也可以同时追踪数百种代谢物的变化。

此外，最近的研究也揭示了异常代谢与癌细胞表观遗传变化之间的联系，由此科学家们开始分析代谢变化是否会推动表观遗传变化。来自杜克大学的癌症研究专家Jason Locasale说：“这两个领域此前一直都是分开研究的。在过去的十年中，癌细胞和发育生物学中观察到的不同代谢变化融合在一起，导致了这些新研究的出现。”

The Scientist介绍了多项相关的研究和技术，希望能帮助大家了解目前这一领域的进展。

T细胞切换

研究者：李铭（Ming Li），纪念斯隆－凯特琳癌症中心的免疫学家 （延伸阅读：专访李铭：在未知世界中徜徉探索）

研究项目：糖如何调控T细胞激活

首先形成胰腺肿瘤的细胞（左图）显示出高水平的组蛋白甲基化（红色）。转移到远端（如肝脏）癌细胞中的甲基化会丢失（右图）

问题：细胞通常在含氧的情况下将糖消化分解成二氧化碳和水。但是癌细胞和活化的T细胞是通过不同的途径输出葡萄糖的，其中一种途径是有氧糖酵解，葡萄糖被转化为3-碳酸乳酸酯分子，后者一般是在厌氧过程中产生（即使有氧气存在）。尽管这种消化过程是活化T细胞的标志，而且会影响促炎基因的表达，但是科学家们至今并不清楚，为何细胞会采用这种代谢途径。

为此，李铭等人构建了一个乳酸脱氢酶A（LDHA）缺陷的T细胞小鼠系，LDHA催化了有氧糖酵解的关键步骤之一。结果他们发现，突变的辅助性T细胞比野生型细胞所消耗的葡萄糖少大约70％，并且表达的干扰素γ（IFNγ）水平也低。此前这一组研究人员曾报道，阻断有氧糖酵解能增加另一种酶与IFNγ mRNA转录物 3'非翻译区（UTR）的结合，从而降低了这种基因的翻译。但是当李铭研究组删除了3'UTR的时候，抑制有氧糖酵解仍然降低了IFNγ的表达。也就是说LDHA在翻译阶段没有发挥作用，而是促进了基因的转录。

为了寻找基因表达和糖代谢之间的其它联系，研究人员利用染色质免疫沉淀（ChIP-Seq），发现野生型和LDHA敲除细胞具有不同的组蛋白乙酰化和基因表达模式（组蛋白乙酰化通过令DNA更接近转录因子，从而促进基因表达）。在敲除小鼠中，86％的下调基因（包括IFNγ）都出现了组蛋白乙酰化减少。当LDHA诱导有氧糖酵解能量产生时，线粒体（促进细胞活性的细胞器）就会控制呼吸，产生乙酰辅酶A，乙酰辅酶A是乙酰化组蛋白所需的辅助因子。这样细胞就能恢复组蛋白乙酰化和IFNγ表达，说明有氧糖酵解是通过表观遗传机制来控制干扰素表达的（Science，354：481-84,2016）。

目前这一研究团队正在寻找其他具有类似调控机制的炎症细胞因子。李铭说：“IFNγ是用于区分表观遗传学基因调控和翻译机制的一个准确模型。

方法技巧：如果需要阐明代谢物在表观遗传效应中的作用，可以寻找DNA甲基化或组蛋白乙酰化等特殊变化，然后再寻找产生这些标记可能所需要的成分的代谢途径。

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癌症化学

研究者：范德堡大学病理学家Oliver McDonald

研究项目：葡萄糖代谢物如何调控癌症转移相关的基因

问题：胰腺导管腺癌是胰腺癌最常见的形式，这种癌症的原发性肿瘤和转移性细胞在遗传上非常相似。但是转移细胞生活在比原发肿瘤更为丰富的营养环境中，并以不同的方式生长。目前对于转移性细胞扩散和生长的基因调控，科学家们并不清楚。不过这些细胞的基因组中出现了大范围的去甲基化迹象，这说明其中存在表观遗传机制。

为此McDonald研究小组花了一年时间敲除了小鼠肿瘤中各种染色质修饰机制，但没有任何结果，由此他们提出了另一种假设：这种大范围表观遗传变化受到同样大范围代谢变化的调节。

当研究人员比较原发性和转移性人类肿瘤样品中的甲基化组蛋白时，他们发现来自远端部位，如肝和肺的转移细胞的组蛋白上携带有不同的甲基化和乙酰化标记。与原发性肿瘤（可以用不同的“代用燃料”补充或代替葡萄糖）不同，转移性癌细胞非常依赖于葡萄糖消耗来形成肿瘤。因此，研究人员利用液相色谱和高分辨率质谱追踪转移后糖代谢途径，寻找癌细胞可能最依赖的途径。

结果他们在肿瘤代谢物谱分析中发现，远端转移的肿瘤会比局部转移的肿瘤消耗更多的葡萄糖，远端转移的肿瘤细胞及其祖细胞能够通过戊糖磷酸途径对葡萄糖进行代谢从而促进生长，6-磷酸葡萄糖酸（6PG）水平显著降低，6PG是通过6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶（PGD）进一步分解的，这表明这种酶过度活跃，消耗了其全部底物（Nat Genet，49：367-76,2017）。

敲除PGD基因并不会改变同一途径中其他酶的表达，但是能逆转远端转移细胞中染色质甲基化和乙酰化的变化。抑制这种酶阻断了3-D培养物中的肿瘤形成。因此，PGD也许是一种营养物质感应机制的关键：通过不断降低6PG水平，迫使细胞消耗更多的葡萄糖。然后，细胞通过消化葡萄糖调配过量代谢产物，乙酰化或去甲基化恶性细胞所需染色质区域中的组蛋白，形成肿瘤，引起转移生长中出现大规模表观遗传学改变。

McDonald说，“我们不知道PGD信号如何靶向这些位点。这可能是通过预先结合到这些区域的转录因子实现的”。当研究人员在实验中敲除肿瘤形成细胞的PGD时，原发性肿瘤细胞仍然生长，但是转移性细胞生长会停滞。

方法技巧：McDonald依靠人工筛选数据，发现了代谢物水平和染色质变化之间的联系。像是那些在转移性胰腺癌中发生改变的染色质结构域，可能会出现数百种不同的信号和代谢物水平（由于存在许多不同的细胞途径）。例如，葡萄糖可以通过几种途径被消化，并且每种都会产生不同的中间体。

“所以生物信息学程序可能不能检测到所有有趣的变化，”McDonald说，“通过人工将代谢物数据录入到电子表格中，这样我们才发现了PGD，因为几个不同的样品中都没有出现它。”

对于那些没有办法手动分析的研究人员，McDonald建议找到可能与被研究疾病相关的代谢物模式，然后与生物信息学家一起定制算法，以便找到个体化生物学特征。

 

干细胞稳定性

研究人员：杜克大学药理学家和癌症生物学家Jason Locasale

研究项目：了解甲硫氨酸如何影响胚胎干细胞中的组蛋白甲基化

研究：甲硫氨酸是一种必需氨基酸，这意味着它必须由膳食蛋白质提供。同时甲硫氨酸也是制造S-腺苷甲硫氨酸（SAM）的组成成分，SAM是一种有助于DNA和组蛋白甲基化的分子。

Locasale开始时分析甲硫氨酸代谢，是为了了解细胞如何感知代谢变化，以及它们是否可以将这些信息传达给染色质。在最近的一项研究中，这一研究小组报告说，一种调控胚胎干细胞甲硫氨酸代谢的高度保守哺乳动物酶：SIRT1，也可以调控分化的表观遗传标记。

当研究人员在小鼠胚胎干细胞中删除或敲除SIRT1时，突变细胞的甲硫氨酸含量就会升高，但SAM水平较低，因此许多组蛋白甲基化标记丢失，导致多能性丧失。但其它SIRT1活动未受影响。研究人员认为干细胞丧失多能性是因为将甲硫氨酸转化为SAM的酶受到了SIRT1的控制（EMBO J，36：3175-93,2017）。

Locasale说：“我们知道SAM和乙酰-CoA通过酶与染色质相互作用，建立这些表观遗传修饰，但是它发生的程度以及如何发生的依然未知。”

方法技巧：为了研究哪些氨基酸代谢途径受到SIRT1敲除的影响，Locasale研究组采用了高分辨质谱，这样他们就能在不到一个小时的时间内测量数百种代谢物的浓度。然后，他们通过一种算法分析这些数据，将实验中的代谢物与代谢物的标准化库进行比较，推断营养物质如何从一种代谢途径流向另一种代谢途径。

研究人员还将质谱得到的数据进行了多重分析：测量在给定时间点与染色质反应的所有代谢物，识别所有对甲硫氨酸水平变化有反应的代谢物，检测代谢中有多少突变导致了染色质的变化。 Locasale说：“当我们详细了解了代谢物水平，就可以快速的检测各种假设，产生更多的可能。十年前，这样的工作需要花费许多的时间和精力。”

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参考文献：

Aerobic glycolysis promotes T helper 1 cell differentiation through an epigenetic mechanism ，Science，354：481-84,2016

Epigenomic reprogramming during pancreatic cancer progression links anabolic glucose metabolism to distant metastasis，Nat Genet，49：367-76,2017

Methionine metabolism is essential for SIRT1‐regulated mouse embryonic stem cell maintenance and embryonic development，EMBO J，36：3175-93,2017

（生物通：张迪）