Cell 封面故事：细胞的潜在记忆
生物谷报道：细胞有潜在记忆（Latent memory）能力，这些能力平时不显山露水，一旦复苏，就会突然出现之前不存在的能力。如某种酵母细胞，能从单性体突然转变为两性体。哥本哈根大学Niels Bohr研究所研究人员利用数学模型和计算机模拟技术检测细胞潜伏记忆的基本机制。文章被选为5月18日Cell 封面文章。
潜伏能力
有时，某个DNA没有任何变化的个体也会出现明显的改变，这是因为实际上，所有人在身体发育过程中，有同样遗传信息的细胞采用不同的命运，形成共同特征很少的组织，如皮肤、骨、脑等。这个过程的初步机制是所谓的细胞分化，这正是哥本哈根大学研究人员所想要弄清的。Niels Bohr研究所生物物理学教授Kim Sneppen说，突然的变化不是DNA本身改变，而是紧邻DNA的环境改变，引起细胞激活了某些潜伏能力。
环境控制DNA
DNA围绕核小体盘旋，核小体可以携带不同的化学修饰，或者允许或者抑制缠绕其上的DNA表达。细胞每次分裂时，双链DNA分裂为两条单链，每条单链再生成新的双链。核小体尽管不像DNA链一样复制，他们分布在两个新生成的DNA双链间，空的地方由新的核小体填充。细胞分裂因此是特定DNA区域的核小体成分发生改变的机会。而且化学反应也会使不同类型核小体之间发生互换。这些变化的效果是一个潜在的能力复苏，或者一个之前活跃的能力关闭。
有些不同的遗传特征？
实验过程中，分子生物学家使用的是一个突变的酵母细胞，该细胞为双稳态，可能成为单性体也有可能形成两性体。结果显示，平均2000细胞代中出现一个自发变化。通过在来自核小体微观状态的正反馈记录上建立的数学模型，研究小组模拟实验结果，进一步了解细胞DNA相同而分化命运不同的机制。研究人员发现核小体之间的交流和正反馈似乎在个体细胞中构成了基本记忆机制。大自然有一个控制细胞潜在记忆的搭档。
原始出处:
Theory
Theoretical Analysis of Epigenetic Cell Memory by Nucleosome Modification
Ian B. Dodd,1,2 Mille A. Micheelsen,1 Kim Sneppen,1,
and Geneviève Thon3
1 Center for Models of Life, Niels Bohr Institute, Blegdamsvej 17, DK-2100, Copenhagen Ø, Denmark
2 Department of Molecular and Biomedical Sciences (Biochemistry), University of Adelaide SA 5005, Australia
3 Department of Molecular Biology, University of Copenhagen Biocenter, Ole Maaløes Vej 5, DK-2200 Copenhagen N, Denmark
Corresponding author
Kim Sneppen
sneppen@nbi.dk
Summary
Chromosomal regions can adopt stable and heritable alternative states resulting in bistable gene expression without changes to the DNA sequence. Such epigenetic control is often associated with alternative covalent modifications of histones. The stability and heritability of the states are thought to involve positive feedback where modified nucleosomes recruit enzymes that similarly modify nearby nucleosomes. We developed a simplified stochastic model for dynamic nucleosome modification based on the silent mating-type region of the yeast Schizosaccharomyces pombe. We show that the mechanism can give strong bistability that is resistant both to high noise due to random gain or loss of nucleosome modifications and to random partitioning upon DNA replication. However, robust bistability required: (1) cooperativity, the activity of more than one modified nucleosome, in the modification reactions and (2) that nucleosomes occasionally stimulate modification beyond their neighbor nucleosomes, arguing against a simple continuous spreading of nucleosome modification.
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