1、表觀遺傳修飾對ESCs多能性和細胞系定向分化的作用摘要 組蛋白修飾及DNA甲基化這樣的遺傳學機制被證實在基因轉(zhuǎn)錄過程中，起著重要的調(diào)節(jié)作用。最近的研究結(jié)果表明一種異常的四分體染色質(zhì)結(jié)構(gòu)標記提供了胚胎干細胞中（ECSs）發(fā)育基因的線索。其中有許多不進行轉(zhuǎn)錄的細胞系控制基因，如Sox1, Sox1, Nkx2-2, Msx1, Irx3,和Pax3，這些基因通過與激活性或者抑制性的組蛋白修飾特異結(jié)合，從而使它們發(fā)生潛在的激活或抑制來使細胞譜系發(fā)生誘導和分化。然而研究結(jié)果也表明一些細胞系調(diào)控基因如Myf5和Mash1,并未經(jīng)組蛋白修飾標記，這就表明特異的表觀遺傳機制可能存在于ESCs中的細胞系調(diào)控基

2、因中。在本綜述中，我們總結(jié)了存在于胚胎干細胞內(nèi)的細胞系調(diào)控基因上控制特異性組蛋白修飾的所有的可能的調(diào)控機制，以及分析了它們對胚胎干細胞多能性的作用。另外，我們認為在囊胚的內(nèi)細胞團中的個別多能干細胞中可能存在一個特異的組蛋白修飾脈沖模型。同時囊胚中內(nèi)細胞團中的干細胞在這些基因座位點可能會發(fā)生暫時性的不同步的組蛋白修飾，所以對環(huán)境信號和生理梯度不同的反應，對細胞譜系定向分化是很重要的。最后，我們正在研究組蛋白修飾的快速交流如何能夠更加穩(wěn)定，由于ESCs要經(jīng)歷分化和成熟的過程才能形成特定的細胞譜系。簡介從哺乳動物的囊胚中的內(nèi)細胞團中獲取的ESCs在體內(nèi)和體外，都有進行自我更新和分化成所有類型體細胞的

3、無限潛能。ESCs的多能性引起了人們極大的興奮，因為它在替代治療退化性疾病，包括型糖尿病和帕金森癥上具有潛在的應用。現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)需要很多因子來維持ESCs的全能性，例如Oct4,Nanog,和Sox2和細胞間的信號分子例如白血病抑制因子和骨形態(tài)發(fā)生蛋白。例如，小鼠的ESCs細胞由于缺乏Oct4，致使其失去了自我更新的能力并且分化為胚胎外滋養(yǎng)層。另外，缺少Oct4的胚胎由于在進行胚胎移植階段，發(fā)生了內(nèi)細胞團向胚胎外滋養(yǎng)層細胞系的轉(zhuǎn)化而發(fā)生死亡。而且，LIF不足或它的信號傳導因子JAK/START3被抑制，可以引起老鼠的ESCs發(fā)生分化。盡管現(xiàn)在這些因子的作用機制還不清楚，以及相關(guān)的基因也知之甚少

4、，但這些研究表明這些因子在維持ESCs細胞的多能性中起著關(guān)鍵作用。幾十年來，發(fā)育生物學家面對的一大挑戰(zhàn)就是，闡明一個機理，即為什么在遺傳學上同質(zhì)的細胞可以在結(jié)構(gòu)上和功能上發(fā)育成一個異質(zhì)的有機體。現(xiàn)在正在研究的一個極為以復雜的問題就是，為什么在發(fā)育的囊胚中，多能性干細胞相互靠近并且處于相同的生存環(huán)境中，最終卻形成不同的細胞系。事實上，即便是控制細胞的培養(yǎng)環(huán)境，使他們處于相同的環(huán)境中，ESCs還是可以被誘導形成多種不同類型的細胞。正在發(fā)育的生物體中的物質(zhì)成分形成了很明顯的梯度，這個過程類似于一種濃度依賴性行為，但是仍不清楚的是，細胞是怎樣解讀不同濃度的成形素所產(chǎn)生的的信號，進而進行精確的基因表達，

5、來促使細胞系的形成。然而，一旦有異質(zhì)的細胞型存在，我們就可以很容易的看到梯度的產(chǎn)生并且持久存在，但在細胞還是同質(zhì)時，發(fā)育的最初階段是很難辨別的。就這點而論，僅依靠成形素的濃度梯度是不足以解釋細胞系定向分化以及發(fā)生在復雜的生物體內(nèi)的包括人在內(nèi)的細胞的分化過程。表觀遺傳學被解釋為可遺傳的密碼，而不是基因序列，包括翻譯后修飾組蛋白，CPG的DNA甲基化修飾，ATP依賴性的染色體重塑，組蛋白及組蛋白變體之間的信息交流，而且小型的RNA分子可以為特殊的基因座的表觀遺傳機制做指引。表觀遺傳機制被牽連入基因的激活和沉默的調(diào)控過程當中，而這個調(diào)控過程是在轉(zhuǎn)錄水平上通過基因組DNA的組蛋白整合入染色質(zhì)的方式進行

6、調(diào)控的。例如，被組蛋白僅僅包裹，并且是折疊狀態(tài)的濃縮的染色質(zhì)絲狀的DNA是不能夠進行轉(zhuǎn)錄激活的，然而，與組蛋白結(jié)合不緊密，并且處于非折疊狀結(jié)構(gòu)的DNA是容易進行轉(zhuǎn)錄激活的。最引人注意的是，當前的研究表明ESCs可以應用許多獨特的組蛋白修飾來維持功能多樣性，并且在適當?shù)沫h(huán)境因子作用下，很容易進行細胞譜系的激活。本綜述的目的就是討論ESCs中控制細胞系調(diào)控基因座上面獨特的組蛋白修飾的機制，并且研究它們對ESCs多能性的作用。另外，我們提出了一個組蛋白修飾的脈沖模型，其中在個別的ESCs中的關(guān)鍵的線性調(diào)控基因座要在染色質(zhì)中經(jīng)歷一個脈沖式的組蛋白交流過程，因而對環(huán)境因子產(chǎn)生不同的反應對細胞系的定向分化

7、是很重要的。最后我們將研究在細胞分化和成熟的過程中，脈沖式的組蛋白修飾時如何被改變的。在回顧ESCs中的表觀遺傳機制之前，我們要簡單總結(jié)一下我們對在分化的體細胞中調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄表觀遺傳機制的了解情況。組蛋白修飾影響了基因轉(zhuǎn)錄真核生物的基因組DNA被包裝在染色質(zhì)的緊密結(jié)構(gòu)中。染色質(zhì)的基本單位是核小體，核小體是由四種核心組蛋白組成，其中H2A,H2B，H3各兩分子，H4分子，每個核小體經(jīng)146bp的DNA纏繞包裹。核小體被可變長度的DNA及組蛋白H1連接在一塊。組蛋白N末端受到多種翻譯后修飾，例如甲基化，乙酰化，磷酸化，泛素化，ADP核糖化作用。這些組蛋白修飾已經(jīng)證實可以調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的緊密性，并且

8、可以組織相鄰核小體之間的高級結(jié)構(gòu)的相互作用，改變核小體的定位和間隔，調(diào)整組蛋白和DNA之間的聯(lián)絡方式，進而來調(diào)整基因的轉(zhuǎn)錄。例如，H3，H4的乙酰化同H3在第四個賴氨酸上的甲基化是相似的，通常與基因的轉(zhuǎn)錄活化有關(guān)，并且這些修飾只與高等真核生物的常染色體中發(fā)現(xiàn)。組蛋白的乙酰化可以調(diào)和它們的陽性負載量，并且降低相鄰核小體之間的相互作用。核小體之間的相互作用可以相應的促使緊密的染色質(zhì)絲發(fā)生解折疊，及DNA模板對于轉(zhuǎn)錄因子的暴露。另外，組蛋白的甲基化及H3在第四個賴氨酸上的甲基化在功能上可以使轉(zhuǎn)錄因子與DNA模板緊密結(jié)合。事實上，Pray-Grant等證實，染色體重塑蛋白chd1與H3的第四個賴氨酸結(jié)

9、合，并且可以使SAGA復合體激活基因轉(zhuǎn)錄。相對應的，H3的第9位賴氨酸和第27位賴氨酸發(fā)生甲基化，可以通過異染色質(zhì)相關(guān)蛋白1及多梳蛋白抑制復合物，促進緊密的異質(zhì)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成。盡管所有的修飾都與基因沉默有關(guān)，這種抑制調(diào)節(jié)作用受到H3的第27位賴氨酸的甲基化調(diào)節(jié)，并且與異質(zhì)染色體的形成有關(guān)，H3的第9位賴氨酸的抑制與固定的異質(zhì)染色質(zhì)有關(guān)。引人注目的是，在成核位點確定以后，組蛋白修飾和編碼的染色質(zhì)形式可以自我傳輸?shù)交蚪MDNA的許多堿基中。即使在最初的成核信號不存在的情況下，這些形式也可以從母系細胞如實的傳遞給后代細胞，這就提出了表觀遺傳的概念。這些發(fā)現(xiàn)指出，組蛋白修飾可以在細胞分化過程中穩(wěn)定基

10、因轉(zhuǎn)錄的激活和沉默的程序，因而引發(fā)了不同的細胞系和細胞系記憶。事實上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，基因的表達是受特殊的細胞系限制的，而且這些基因受到特定組蛋白修飾，在有這些基因表達的細胞類型中，這些組蛋白修飾有助于轉(zhuǎn)錄的激活。而在其它細胞類型中，相同的基因可能受到不同的組蛋白修飾，這些修飾與基因沉默有關(guān)。例如，最近的研究指出，在平滑肌細胞系發(fā)育的過程中，平滑肌的細胞系的啟動子，需要H3第4位賴氨酸甲基化及H4的乙酰化，然而相同的啟動子在其他細胞系中需要H3的第27位的賴氨酸發(fā)生甲基化。總之，先前的結(jié)果提供了可靠的證據(jù)證實，組蛋白修飾不僅可以作為反應基因轉(zhuǎn)錄活動狀態(tài)的反應，而且可以參與到體細胞分化的轉(zhuǎn)錄調(diào)控中。ES

11、Cs中許多關(guān)鍵的發(fā)育基因呈現(xiàn)出獨特的組蛋白修飾模式，在適當?shù)沫h(huán)境因子作用下這種組蛋白修飾可以使基因進入活化狀態(tài)有證據(jù)表明，組蛋白修飾在ESCs的基因表達圖譜中，起到關(guān)鍵作用。正如分化的體細胞中的基因座一樣，ESCs中，基因的啟動子區(qū)域，Oct4和Nanog可以通過H3和H4的乙酰化修飾進行標記，所以這種組蛋白修飾對于基因轉(zhuǎn)錄是很重要的。這些結(jié)果表明，ESCs與分化的體細胞相比，ESCs可以通過表觀遺傳機制來用于基因轉(zhuǎn)錄。然而近來的結(jié)果表明，ESCs中一些特殊的組蛋白修飾機制，可以使細胞系調(diào)控基因沉默，但是在分化的過程中可以發(fā)生激活。Azuara等最近運用CHIP來檢測小鼠ESCs中基因座的組蛋

12、白修飾模式。最近研究指出，用于細胞系定向分化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，如Sox1, Nkx2-2, Msx1, Irx3,和Pax3，并不在ESCs中表達，但是與啟動子的激活和抑制有關(guān)。同時，彈性能量密度缺乏型的ESCs可以誘使細胞系調(diào)控基因的表達，因為這種細胞缺乏濃度依賴性的H3 27位賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶活性，所以可以得出結(jié)論如果有這種轉(zhuǎn)移酶存在可以阻止ESCs中細胞系調(diào)控基因的表達。另外，最近的研究結(jié)果表明，小鼠的ESCs中關(guān)鍵的發(fā)育基因，包括SOX,HOX,PAX和POU基因家族，顯示了獨特的組蛋白修飾模式，這些模式中，包括了大量延伸的H3 27位賴氨酸甲基化，同時在轉(zhuǎn)錄起始位點出現(xiàn)激活性的H3 4

13、位賴氨酸甲基化。他們稱這種結(jié)合型的修飾模式為二價組蛋白修飾。最關(guān)鍵的是，他們通過CHIP試驗發(fā)現(xiàn)，作用相反的組蛋白修飾出現(xiàn)在同一個染色體當中，如H3 27位賴氨酸甲基化和H3 4位賴氨酸甲基化，如此可以得出，二價組蛋白修飾的出現(xiàn)不是因為僅含有H3 27位賴氨酸甲基化或H3 4位賴氨酸甲基化的ESCs的兩個有區(qū)別的細胞亞群的存在。他們指出，在ESCs分化為神經(jīng)元細胞的過程中，只有H3 4位賴氨酸甲基化存留于神經(jīng)元前體細胞的特殊基因啟動子中，而H3 27位賴氨酸甲基化不存在。相反，在另一些保持沉默的基因的啟動子中不含有H3 4位賴氨酸甲基化，但富含H3 27位賴氨酸甲基化。總之，ESCs的關(guān)鍵的細

14、胞系調(diào)控基因可以被獨特的抑制和激活的組蛋白修飾組合標記，通常這些標記在分化的體細胞中只存在于常染色體或者異質(zhì)染色體中。Azuara和Bernstein等猜測，這些獨特的組蛋白修飾模式對ESCs的多能性維持具有重要作用，因為二價組蛋白修飾使ESCs中的基因沉默，歸因于H3 27位賴氨酸甲基化的功能要強于H3 4位賴氨酸甲基化的功能，并且通過H3 27位賴氨酸甲基化的移除，可以使ESCs發(fā)生分化并保持這種潛能。H3 27位賴氨酸甲基化已被證實與兼性異染色質(zhì)的形成有關(guān)，而H3 9位賴氨酸甲基化可以通過組成型異染色質(zhì)的形成使基因發(fā)生沉默。ESCs中細胞系控制基因一般位于相對比較開放的染色體結(jié)構(gòu)中，這種

15、結(jié)構(gòu)靠H3 4位賴氨酸甲基化和H3 27位賴氨酸甲基化的平衡作用來維持。這個發(fā)現(xiàn)可以通過細胞系控制基因中不含有H3 9位賴氨酸甲基化，得到證實。ESCs中細胞系控制基因上這樣一個相對開放的位點，可以使基因更容易結(jié)合染色體重塑復合體，及在環(huán)境因子的作用下可以誘發(fā)轉(zhuǎn)錄起始的轉(zhuǎn)錄因子。當ESCs分化成一種特定的細胞系的過程中，細胞系控制基因位點上抑制性修飾將被去除，激活性修飾將被保留，進而使轉(zhuǎn)錄起始。相反，當ESCs經(jīng)誘導形成其它細胞系時，非必需的基因位點上的激活性的組蛋白修飾將被移除，而抑制性修飾將被保留，進而使基因保持沉默。如此一來，ESCs中細胞系調(diào)控基因位點上的二價修飾很可能是作為激活或者抑

16、制的起始平臺，這樣一個開放性轉(zhuǎn)錄位點在ESCs的多能性維持上具有重要作用。然而，在許多細胞系調(diào)控基因包括Myf5和Mash1，的啟動子位點并未檢測到二價組蛋白修飾。Myf5作為MyoD轉(zhuǎn)錄因子的家族的一員，已被證實是肌肉細胞系定向分化的重要調(diào)控者，同時，Mash1是形成神經(jīng)元前體細胞重要的轉(zhuǎn)錄因子。另外，Bernstein等研究證實，ESCs中許多重要的發(fā)育基因，只能被H3 4位賴氨酸甲基化標記，或者是并不顯示H3 4位賴氨酸甲基化或者H3 27位賴氨酸甲基化。這些基因不僅在細胞系的形成上具有重要作用，在后期發(fā)育階段，也可以被不典型的表觀遺傳機制激活。總之，試驗結(jié)果表明只有一些重要的發(fā)育基因和

17、細胞系控制基因，展現(xiàn)四分體結(jié)構(gòu)，而其它的細胞系控制基因顯示不同的組蛋白修飾。這些結(jié)果的差異尚不清楚，可能是因為這些基因座中組蛋白修飾動力學的交流造成的結(jié)果，正如在下一個部分中的描述。指令ESCs中特異的組蛋白修飾模式的作用因子和機制當前，尚不清楚的是，ESCs為什么僅有一些細胞系控制基因具有二價組蛋白修飾模式，而二價修飾是如何進入特定的細胞系控制基因座，這其中精確地機理也不清楚。造血干細胞系定向分化的多層激活模型，可以解釋為什么只有一些細胞系控制基因具有二價組蛋白修飾。根據(jù)這個模型，ESCs只有在早期階段需要的主要的細胞系控制基因例如SOX,PAX,HOX,POU基因家族，才具有二價組蛋白修飾

18、，這些主要的基因可以引發(fā)下游一系列細胞系控制基因的激活。然而，先前許多研究者指出，在小鼠的ESCs中許多細胞系特異基因并不是轉(zhuǎn)錄因子，與激活組蛋白修飾密切相關(guān)。例如，據(jù)報道，胰臟細胞特異胰島素基因，神經(jīng)元突觸結(jié)合蛋白-4基因，B細胞前體特異基因的啟動子區(qū)域是經(jīng)過H3的乙酰化，和H3 4位賴氨酸甲基化標記的。而且，ESCs中突觸結(jié)合蛋白-4基因和B細胞前體特異基因基因間的位點與許多轉(zhuǎn)錄因子密切相關(guān)，包括RNA聚合酶。ESCs中，這些細胞系特異性基因包含激活性組蛋白修飾的原因尚不清楚，但是這些結(jié)果表明表觀遺傳引發(fā)的機制不僅僅在關(guān)鍵的細胞系調(diào)控基因上出現(xiàn)。因為二價修飾模式對ESCs是特有的，我們可以

19、猜測，ESCs選擇性轉(zhuǎn)錄因子例如OCT4，NANOG,SOX2，可能參與指令關(guān)鍵發(fā)育基因的特殊修飾的發(fā)生。最近Boyer和Loh等分別在人和小鼠ESCs中通過CHIP試驗法和基因微晶片法篩選到目標基因OCT4，NANOG,SOX2。他們驚奇地發(fā)現(xiàn)ESCs特定的轉(zhuǎn)錄因子不僅與活性轉(zhuǎn)錄基因有關(guān)也與轉(zhuǎn)錄沉默基因有關(guān)，例如ESCs中的HOX和PAX.這些發(fā)現(xiàn)與那些假設(shè)相一致，即ESCs中選擇性的轉(zhuǎn)錄因子是二價組蛋白修飾組合的重要中介。據(jù)報道，OCT4，NANOG,SOX2對大部分的靶基因起到轉(zhuǎn)錄啟動的作用，但是還沒發(fā)現(xiàn)對組蛋白具有固有的酶激活功能。更有趣的是ESCs中選擇性的轉(zhuǎn)錄因子可以通過組蛋白修飾

20、酶誘導激活性組蛋白修飾選擇性進入到特定的細胞系控制基因中。相反，特定的ESC轉(zhuǎn)錄因子可能可以通過抑制性組蛋白修飾酶使抑制性組蛋白修飾進入到細胞系控制基因座中，因為，在細胞分化過程中，細胞系控制基因激活后，ESCs特定的轉(zhuǎn)錄因子和抑制性組蛋白修飾都被減弱。最近研究表明，H3 27位賴氨酸甲基化需要的多梳蛋白復合體與許多關(guān)鍵的細胞系控制基因密切相關(guān)，而且它們的目標基因也和這些蛋白組合折疊形成ESCs特定的轉(zhuǎn)錄因子。因而，更有意義的是檢測在ESCs修飾的細胞系控制基因中，ESCs特定的轉(zhuǎn)錄因子是否具有直接應用多梳蛋白復合體來引入抑制性組蛋白修飾。然而，有一些關(guān)鍵的地方需要考慮，第一，有超過100個基

21、因座檢測到與組蛋白修飾密切相關(guān)，但只有一半與OCT4和NANOG相關(guān)。第二，盡管MYF5基因已證實與抑制性和激活性組蛋白修飾沒有聯(lián)系，但是它的位點卻被OCT4占據(jù)。這些結(jié)果表明二價組蛋白修飾組合不能完全通過ESCs特定轉(zhuǎn)錄因子解釋。恰恰相反，外源添加特定的ESCs轉(zhuǎn)錄因子并不能促進二價組蛋白修飾的形成。在細胞系控制基因的啟動子中呈現(xiàn)的特異調(diào)控原理對ESCs中二價組蛋白修飾的出現(xiàn)具有決定性作用。事實上，Berstein等發(fā)現(xiàn)CPG島的出現(xiàn)位點與H3 4位賴氨酸甲基化的出現(xiàn)具有密切聯(lián)系。最近，Lee and Skalnik指出CXXC指狀蛋白，是非甲基化CPG島的結(jié)合因子，是哺乳動物Set1 H3

22、 4位賴氨酸甲基化酶復合體的組成成分，結(jié)果表明未經(jīng)甲基化的CPG島是甲基化酶的直接目標。因而，在ESCs中的啟動子區(qū)域，關(guān)鍵的細胞系調(diào)控基因中出現(xiàn)的H3 4位賴氨酸甲基化是通過Set1甲基化酶進入非甲基化CPG島進行的。然而，仍然需要檢測的是ESCs中的關(guān)鍵細胞系調(diào)控基因上的CPG島是否發(fā)生甲基化。事實上，通過基因組的研究結(jié)果表明CPG島的甲基化位點在ESCs和成年鼠組織沒有差異，例如大腦和腎臟，盡管這些研究沒有注重于關(guān)鍵的細胞系調(diào)控基因。更有意義的是，去確定細胞系控制基因座上CPG島的甲基化位點在ESC和分化的細胞中有沒有差異，及CPG島是否是與指令二價組蛋白修飾因子有關(guān)。最后，應該考慮的一

23、個可能性是如果在細胞系控制基因位點未檢測到ESC特殊的組蛋白修飾可能是一種假陰性反應。據(jù)報道，激活性組蛋白修飾只存在于基因間位點，而并不存在于VpreB的啟動子區(qū)域。在這個例子中，在B細胞系分化的過程中激活性組蛋白修飾從基因間位點擴展到啟動子區(qū)域。因此，組蛋白修飾可能存在于被引物覆蓋的區(qū)域之外。總之，在ESC中的關(guān)鍵細胞系控制基因位點的二價組蛋白修飾的形成具有明顯的證據(jù)。然而，引發(fā)二價組蛋白修飾的形成的特異性機制及他們在干細胞多能性和細胞系決定上的作用，仍需繼續(xù)探討。ESCs中細胞系控制基因可能被快速交流的組蛋白修飾標記目前我們的討論主要集中在對不同細胞系控制基因的不同組蛋白模式的研究。然而很

24、可能，大多數(shù)的細胞系控制基因使用類似的組蛋白修飾機制來使他們保持在轉(zhuǎn)錄開放的狀態(tài)，但是由于受到CHIP技術(shù)的限制還沒有檢測到。在這一部分，我們提出了組蛋白脈沖模型，其中，個別的特殊基因座上組蛋白修飾模式發(fā)生隨機的改變。在任何緊急的時刻，特異的ESC也可能在關(guān)鍵的細胞系控制基因上對組蛋白修飾發(fā)出指令以適應變化的環(huán)境因子。事實上，這樣一個模型可以使實驗證據(jù)保持一致。在這個模型中，大部分的基因都與組蛋白修飾具有密切聯(lián)系，同時組蛋白修飾具有動力學和化學計量學的特征。例如，一些基因SOX1，NKX2-2，MSX1，IRX3，PAX3，通過CHIP方法檢測發(fā)現(xiàn)它們的啟動子包含四分體染色體結(jié)構(gòu)，并且與高頻率

25、持久循環(huán)的組蛋白修飾模式關(guān)系密切。相反，一些基因的啟動子未檢測到四分體結(jié)構(gòu)，使用CHIP也很難檢測到組蛋白修飾。因為個別ESCs的短暫的基因位點組蛋白修飾交流，使用CHIP方法檢測到組蛋白修飾的可能性和敏感性依賴于以下幾個可變因素，（a）一小部分的ESCs在一些特定的位點具有組蛋白修飾，（b）要有充足的組蛋白修飾（c）使用的方法足夠敏感，包括抗體對組蛋白修飾的親和力。例如，一些數(shù)據(jù)表明細胞系調(diào)控基因座，顯示了特殊的組蛋白修飾，表明這種模式可能呈現(xiàn)在一些ESCs的特定位點和特定的DNA序列，與組蛋白緊密結(jié)合。相反，一些數(shù)據(jù)表明沒有檢測到組蛋白修飾，表明個別細胞內(nèi)的修飾是很短暫的，或者濃度很第在可

26、以檢測的濃度以下。在ESCs分化過程中，組蛋白修飾保持動態(tài)平衡，所以在分化的體細胞中有較高水平的組蛋白修飾。這個模型與許多實驗室的研究相一致，即組蛋白修飾的水平在分化的體細胞中比ESCs的高，因為很多細胞都有可能同時發(fā)生組蛋白修飾。事實上，Mestelih等一系列創(chuàng)新性的研究為組蛋白修飾模型提供了直接的證據(jù)。應用FRAP技術(shù)，他們指出ESCs的染色質(zhì)蛋白的運轉(zhuǎn)周期非常快。例如，ESCs中基因組DNA上的H3蛋白循環(huán)只有幾秒鐘，而在分化的細胞中要持續(xù)幾分鐘。他們給出一些證據(jù)與DNA緊密結(jié)合的組蛋白，通過調(diào)節(jié)ESCs的動態(tài)特征蛋白，對ESCs的多能性是必須的。最重要的是，他們提出了一個更有力的證據(jù)

27、ESCs中組蛋白的高動力的循環(huán)狀態(tài)不是細胞增殖高效率的功能，這種高動力的特征在ESCs的任何細胞周期中都可以檢測到。與此同時，這些研究的一個優(yōu)勢是FRAP技術(shù)允許在單個細胞水平進行染色質(zhì)蛋白動力學檢測，這樣作者就可以直接進行增殖細胞和非增殖細胞的動力學比較，發(fā)現(xiàn)沒有差異。因此，這些結(jié)果表明染色質(zhì)蛋白的動力學交流包括ESCs中染色質(zhì)上的組蛋白，不是細胞增殖的功能，但是表明它們是ESCs多能性的關(guān)鍵決定因素。就這點而論，快速的組蛋白交流速率是一個潛在的調(diào)控機制，即整個過程中組蛋白是如何動態(tài)的在細胞系控制基因的模板上結(jié)合或者脫離。然而，關(guān)于這個問題還有還有一些未解決的問題。第一，現(xiàn)在還不知道是什么因

28、子和機制控制組蛋白修飾在基因座上的動態(tài)交流速率。盡管ESCs的特定轉(zhuǎn)錄因子和調(diào)節(jié)因子決定了決定了組蛋白修飾的動力學，然而沒有直接的證據(jù)。第二，現(xiàn)在尚不清楚在特定的細胞系中特定的基因座上的組蛋白修飾模式是由組蛋白修飾的信息交流或者是通過組蛋白修飾酶引起的原位修飾。后者可以通過即時測量擴散率，分解率，在單個細胞中和特定基因位點染色質(zhì)上組蛋白修飾酶的停留時間，采用的方法類似于檢測多梳蛋白和糖皮質(zhì)激素受體的方法，包括熒光標記技術(shù)，原位雜交和FRAP顯微鏡方法。作為一種選擇，可以采用FRET來檢測組蛋白動態(tài)交流，其中熒光組蛋白和標記DNA，因為FRET已經(jīng)在單個細胞水平蛋白檢測上使用。而且，采用CHIP

29、在50個ESCs細胞中檢測采用組蛋白修飾模式，進而提高了在單個細胞上檢測的可能性。總之，盡管組蛋白修飾脈沖模型提供了一個對ESCs多能性具有重要作用的可能性機制，這個模型也引發(fā)可很多問題和技術(shù)研究和創(chuàng)新包括在單個細胞水平特定基因的組蛋白修飾進行及時檢測。不同步的組蛋白修飾脈沖模型可能在發(fā)育胚胎中異質(zhì)細胞群的最初形成中起到重要作用在發(fā)育生物學中，最引人注意但又難理解的是囊胚中內(nèi)細胞團中在形態(tài)學上同種的多能性干細胞，通過特定環(huán)境信號的作用，誘導分化為其它細胞。很明顯這是一個復雜的過程，涉及到交互性機制，包括細胞質(zhì)分裂機制，母體印記，而且最近報道在內(nèi)細胞團的多能干細胞中存在異質(zhì)性，而且可以推測，發(fā)育

30、囊胚中個別多能干細胞所發(fā)生的不同反應部分原因是不同步的組蛋白修飾模式的動態(tài)性造成的。換言之，囊胚中相鄰多能干細胞對相同的環(huán)境因子反應的差異是由于在緊急時刻特定基因位點組蛋白修飾的差異。所以，可以提出這樣的假設(shè)在胚胎發(fā)育過程中，組蛋白修飾模型對于形成空間上和時間上異質(zhì)的細胞和維持ESCs細胞的多能性同樣重要。根據(jù)組蛋白修飾脈沖模型，在多能干細胞中的關(guān)鍵基因表現(xiàn)出變動的交流頻率，例如H3 4位賴氨酸甲基化和H3 27位賴氨酸甲基化。盡管Berstein等清楚地指出，通過CHIP方法測定發(fā)現(xiàn)這些組蛋白模型出現(xiàn)在相同的基因座上，但是也有可能，每一種組蛋白修飾模式的動力學在單個細胞中是不同步的。一個簡單

31、的表格證實了這種原則。在這個模型中，多能干細胞A呈現(xiàn)出開放的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，在特定的時間位點Z的特定基因座上激活性H3 4位賴氨酸甲基化的出現(xiàn)，抑制性H3 27位賴氨酸甲基化的缺乏。相反，其它多能干細胞，在相同的基因位點可能包含激活性H3 4位賴氨酸甲基化和抑制性H3 27位賴氨酸甲基化。在相同的時間點Z，在這個特定的細胞系控制基因，只有在細胞A中才能應對相應的發(fā)育刺激，但是在細胞B和細胞C卻沒有此反應。環(huán)境信號和ESCs的轉(zhuǎn)錄因子，可以再Z時與反應性的基因，然后繼續(xù)激活多能干細胞A的轉(zhuǎn)錄和表達，但是在細胞B和C中會受到H3 27位賴氨酸甲基化的抑制性阻止。盡管沒有證據(jù)表明，缺乏H3 4位賴氨酸甲基化和H3 27位賴氨酸甲基化的基因可能不會對發(fā)育刺激產(chǎn)生反應，或者對發(fā)育刺激產(chǎn)生反應，但是在個別多能干細胞中可能對特定的環(huán)境信號產(chǎn)生特定的指令，同時由于組蛋白修飾模式不同步的動