Cell重要论文：解密第六种碱基
人体的几乎每个细胞都携带着一份完整的人类基因组。那么人类眼中的感光细胞为何会与心脏或脾脏的细胞如此的不同?
答案当然是因为每种细胞类型只选择性表达了一套独特的基因，而主动沉默了与它的功能无关的基因。科学家们很早以前就知道，那样的基因沉默是借助于对DNA碱基胞嘧啶的化学修饰，生成称作5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine ,5mC)的一种“表观遗传”标记而实现。这一标记适当分布不仅对于胚胎发育，且对于许多正常的生物学过程均至关重要。相反，它的错误分布会促成广泛的癌症进化。
然而5mC并非是基因组上唯一的表观遗传标记。3年前任职于洛克菲勒大学、现为牛津大学研究人员的Skirmantas Kriaucionis和洛克菲勒大学的Nathaniel Heintz，发现了胞嘧啶的第二种修饰，将其转变为了5-羟甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine，5hmC)，这似乎在基因组的选择性表达中起着同样重要的作用。从那时起，研究人员便对基因组第六碱基：5hmC投入了广泛的关注，争相想弄清它的确切作用。
在近期的《细胞》(Cell)杂志上，Heintz、Kriaucionis和同事们报告称，5hmC标记对于基因表达的影响与5mC相反，并在小鼠的健康脑细胞中鉴别了5hmC信号检测及广泛解读的机制。众所周知，广泛的肿瘤细胞中都存在5hmC分布改变，这些研究发现可能对于癌症研究具有重要的价值。
首先，研究小组绘制出了三种类型的健康小鼠神经细胞基因组中5hmC确切位置图谱。他们发现在细胞核中，带有5hmC标记的DNA松散地环绕着蛋白质支架。5mC信号则主要定位在更致密包装、不易接近的DNA链上。而大部分的基因表达均发生在松散包装的DNA上。
与此相一致的是，研究人员发现5hmC标记散布在基因高水平表达的基因组区域。与其他研究相符的是，他们发现5mC主要定位在沉默的基因组CpG岛上。
当研究人员对DNA序列进行更密切观测时，进一步发现5hmC主要定位在基因主体(gene body)即基因编码蛋白质的部分，而不在启动子及增强子序列中。这令他们感到非常惊讶，因为人们预计，基因的“on”开关应该定位在启动子和增强子这样的序列中。“事实上，我们知道在胚胎干细胞中5hmC定位在这些序列中。很容易看到增强子或启动子区域修饰可能会影响基因表达。但却并不是很清楚定位在基因主体上的这一标记能够对基因激活产生如此显著影响的机制。”Kriaucionis说。
Kriaucionis和Nathaniel Heintz研究小组的同事们还发现，在5hmC常见的区域5mC水平较低，反之亦然。此外，在每个细胞中两个标记物的模式和比值，高度表达的基因均存在显著差异。这表明每种细胞预先存在的独特分子信号，对于决定5hmC在整个基因组中的确切定位极其重要。这些信号改变有可能在癌症等疾病的发生中发挥了作用。
接下来，研究人员试图确定5hmc信号的读取机制。Kriaucionis 说：“我们必须了解5hmC在正常细胞中的作用。这将有助于我们追踪疾病中基因错误表达的过程。”研究人员发现，一种称作甲基化CpG结合蛋白2 (MeCP2)的分子，在他们研究的细胞中既结合了5mC，也结合了5hmC。众所周知，这一蛋白突变会促成Rett综合征。Rett综合征是一种发育障碍疾病，其病情取决于MeCP2的精确改变。最重要的一种MeCP2突变蛋白能够结合5mC，但却不能结合5hmC。这种突变已知会导致Rett患者出现较轻的认知和言语缺陷。
最后，研究人员证实MeCP2结合5hmC，可使得DNA更易于接近解码遗传信息的分子机器，从而驱动基因表达，而与5mC结合则会产生相反的效应。尽管当前侧重研究的是健康小鼠神经组织，阐明5hmC在基因组表达中复杂的作用有可能对癌症研究很有价值。其他的研究人员曾证实，在一些癌症，包括急性髓系白血病和血液疾病骨髓增生异常综合征中，5hmC高度耗竭。这种耗竭伴随着肿瘤抑制基因TET2的破坏。TET2负责编码一种蛋白生成DNA上的 5hmC信号。
Kriaucionis的实验室现在正在评估5hmC在不同类型血细胞发育中所起的作用，旨在解读其丧失促成血癌发生的机制。
