探尋表觀遺傳修飾體系的「前世今生」——專訪中科院生物物理研究所朱冰博士

葯明康德/報道

德國數學家萊布尼茨曾感嘆：「真實的世界中沒有兩片完全相同的樹葉，由此才成就了最好的世界。」從鬱鬱蔥蔥的草木到星星點點的花卉，從朝生暮死的蟲豸到野性難馴的猛獸，正是奧妙無窮的基因密碼與千變萬化的表觀遺傳信息，共同成就了這個生機盎然、繽紛絢麗的星球。

每個生命機體內複雜的表觀遺傳體系，使得擁有相同基因組的細胞可以呈現不同的表觀基因組、轉錄組，從而分化出不同的形態功能。針對這門新興的學科，中科院生物物理研究所朱冰博士圍繞組蛋白修飾的繼承性，在表觀遺傳修飾繼承模式、表觀遺傳修飾酶反饋調節、表觀機理記憶體系方向進行了突破性的探索，也為靶向表觀遺傳因子的藥物研發提供了寶貴的信息。

朱冰博士在中國科學院上海植物生理研究所取得博士學位之後，先後在瑞士弗雷德里克-米歇爾研究所Jean-Pierre Jost和美國霍華德-休斯醫學院Danny Reinberg實驗室進行博士後訓練。2006年回國建立其獨立課題組，於2012年獲得葯明康德生命化學研究獎，並躋身首屆美國霍華德-休斯醫學院國際青年科學家行列，也榮獲談家楨生命科學創新獎。

朱冰博士近照

組蛋白修飾酶：識別響應基因表達狀態的智能小子

葯明康德：真核細胞有絲分裂周期中核小體組蛋白的複製、以及如何與新舊兩條DNA鏈重新裝配的機制，受到不少細胞生物學家的關注。您的團隊關於核小體核心蛋白的保留分配研究結果，終結了該問題數十年的爭論。請您談談這個課題的相關發現。

朱冰博士：有絲分裂過程中，原有的表觀遺傳信息會受到很大的衝擊和稀釋。真核細胞中核小體是染色質的基礎單元，新組裝的核小體中不具備多數表觀遺傳修飾，親代細胞的表觀遺傳信息如何傳遞到子代細胞，一直是我們關注的重點領域。

核小體組蛋白八聚體之中，由H3-H4構成的四聚體是核心結構。上世紀七八十年代就有研究認為組蛋白之中的H2A-H2B可以在核小體之間交換，而H3-H4四聚體保持穩定；但是本世紀初有學者發現新合成的H3-H4是以二聚體形式與組蛋白伴侶共同存在，並進一步參加核小體組裝，於是爭論再起。我們通過穩定同位素和 FLAG 標籤對新舊組蛋白進行標記，結合細胞學操控、生物化學純化和定量質譜學方法，發現H3.1-H4組成的核心四聚體在DNA複製過程中保持完整，但是組蛋白變體H3.3組成的H3-H4四聚體會發生相當量的「新」、「舊」重組。

相關研究成果於2010年發表在《Science》雜誌上，平息了該領域的爭論；更重要的是，它對染色質和組蛋白領域的研究者提出了下一步挑戰的方向，即我們需要探究組蛋白修飾繼承性的分子機制，以及H3.3核小體重組的具體模式、機制和生物學意義。

組蛋白核心四聚體H3-H4在DNA複製過程中保持穩定（圖片來源：《Science》）

葯明康德：您的團隊發表的另外幾篇論文，是通過理解組蛋白甲基化酶的活性調節機制，來考察已有組蛋白修飾對子代細胞中表觀遺傳信息重建的調節，並由此形成了修飾酶活性反饋調節的系統假說，請您談談該理論的相關細節。

朱冰博士：過去有一些與組蛋白修飾相關的觀點比較死板，認為修飾酶被招募到相關區域後就會機械地參與染色質修飾在基因組上的建立。然而我們和國際同行的一系列研究發現這些修飾酶並不是簡單的「機器人」，它們可以感知其所處的染色質環境並做出相應的響應，從而維持其原先的表觀遺傳狀態，並使得其靶基因維持原有的轉錄狀態。

比如Polycomb蛋白家族是一類進化上極為保守的轉錄抑制因子，它們調控著眾多重要生命活動，而Polycomb介導的基因沉默也是經典的表觀遺傳現象：其特點是能夠忠實地維持基因的沉默狀態，然而其分子機理未被清晰闡述。PRC2是一個重要的Polycomb蛋白複合物，在體內負責催化組蛋白H3第27位賴氨酸的甲基化修飾，這種修飾可以在染色質上蔓延從而形成區域性的抑制型染色質環境。顯然，這樣的蔓延機制需要被特定的染色質因子拮抗，否則所有的基因都會被沉默，我們發現H3第36位的賴氨酸甲基化修飾可以抑制PRC2複合物的活性，並有效拮抗H3第27位賴氨酸的甲基化修飾的蔓延，從而保障活躍的基因不會被PRC2錯誤地沉默。

另外，我們還發現PRC2在鬆散的染色質底物上催化活性很低，卻能夠在緻密的染色質底物上被相鄰核小體上的組蛋白肽段變構激活。由於活躍轉錄的基因具有鬆散的染色質結構，而不活躍表達的基因則具有相對緻密的染色質結構，這一研究發現PRC2可以通過感知靶基因的轉錄狀態來調節自己的活性，從而正確實現基因轉錄狀態的維持。

這兩項研究的成果分別發表在《The Journal of Biological chemistry》和《Science》上，為修飾酶活性反饋調控機制的新模型提供了重要證據。這一模型認為組蛋白修飾在有絲分裂過程中不是以密碼方式進行拷貝，而是通過修飾酶活性的反饋調節實現修飾的繼承。

組蛋白甲基化酶PRC2的酶活性受其底物染色質的緊密狀態的調節（圖片來源：《Science》）

表觀遺傳藥物+免疫療法：強強聯合的抗癌之路

葯明康德：組蛋白修飾在表觀遺傳學中作為一個新興方向，仍然有很多空白領域需要探索。請您介紹一下目前正在關注的具體問題，以及未來重要的有興趣研究的課題。

朱冰博士：即使是同卵雙生的嬰兒，從降生到世間的那一刻，便會呈現出許多與眾不同的生理特點。我們都知道哺乳動物生殖細胞形成前後、受精卵結合之初、以及受精卵在子宮著床之後，表觀遺傳信息會有著大規模的動態變化。這些信息在短時間內的大幅度擦除與重建，保障了胚胎的正確發育。

那麼少量可能逃脫重編程的原有表觀遺傳信息會有什麼影響？近來一些研究成果證明，某些親代表觀遺傳信號可能構成了特定跨代繼承表型的表觀遺傳基礎。另外在受精卵分裂並且開始胚胎髮育之後，新的表觀遺傳信息從何建立、如何質控、又如何調控基因轉錄？這些領域中的未知是我們目前關注的方向。

另一個表觀遺傳學研究應該關注的方向，是細胞對於刺激信號的記憶。大家都很了解疫苗和某些患病過程對於人體免疫系統的刺激，人體通過特異性識別曾經進入人體內的病原體抗原，產生特定抗體從而在日後對抗相同的抗原。細胞的記憶功能多種多樣，免疫記憶是細胞記憶的一個很好的例子。然而表觀遺傳機制是否參與了這樣的細胞記憶事件？我想這是一個非常值得探索的方向。

葯明康德：現在表觀遺傳在腫瘤藥物以及療法開發中，發揮著越來越重要的作用。您如何看待這門學科在轉化醫學中的前景？

朱冰博士：不少大型企業投入了人力物力，以開發與表觀遺傳相關的藥物和療法，這對於整個科研領域而言是非常振奮人心的。目前表觀遺傳在整體基礎科研方面還處在一個比較年輕的階段，現有的相關上市藥物療法種類雖然不多，但前景誘人。

現在業已上市的表觀遺傳藥物主要集中在抗腫瘤領域，機制主要是針對兩個靶向修飾酶：DNA甲基化酶（DNM）以及組蛋白乙醯化酶（HDAC），研發可追溯到上世紀80年代，代表性產品包括貝利司他(Belinostat)、羅米地辛(Romidepsin)、西達本胺(Chidamide)等。另外在研DNMT抑製劑和HDAC抑製劑的臨床試驗分別突破500項和800項。

近年來又湧現出許多在研新葯採用全新表觀遺傳機制，包括bromodomain and extraterminal protein (BET)抑製劑、賴氨酸特異性去甲基化酶1A (LSD1 /KDM1A)抑製劑、異檸檬酸脫氫酶(IDH)突變抑製劑、組蛋白甲基轉移酶(HMT)和蛋白質精氨酸甲基轉移酶(PRMT)抑製劑等。

我認為當前以各種表觀修飾酶為靶點的藥物研發迭代進步的關鍵，是要控制藥物對身體正常組織的副作用，以及在單一用藥和聯合用藥過程中增強病人機體響應。我們看到免疫療法是對抗癌症的重要發展方向，而表觀遺傳的研究以及相關靶點的干預，如果能夠和免疫療法強強聯合，或許可以拓展免疫療法的適應症範圍。

年輕的理想，沒有上限

葯明康德：您在碩士階段曾經參與培育轉基因水稻，博士後之後又將研究轉向了哺乳動物表觀遺傳。在多年的學術生涯中有哪些師長對您產生了重大積極的影響？

朱冰博士：在我求學的時代國內科研條件還比較有限，所以當時和許多年輕學生一樣，我對自己的職業目標設定也比較局限。但是碩博期間的導師對我一直很寬容愛護。我的碩導是中國水稻研究所的黃大年老師，是他將我領入了分子生物學的大門。我的博導則是中科院上海植物生理研究所的朱家璧老師，她對我一直是鼓勵加寬容。有件事我一直很慚愧，有一次朱老師讓我做一個新實驗，我隨口回答：這麼難的研究，似乎我只在《PNAS》（美國科學院院刊）級別的雜誌中看到過。說明我當時對《PNAS》有一種高不可攀的感覺，我相信她當時一定非常失望，但她並沒有直接批評我。二十年過去了，我對當初的表現感到非常慚愧，但也更感激她對我的期待和培養。

我1999年博士畢業後，去瑞士開始博士後研究。我的博士後導師Jean-Pierre Jost非常熱愛科研，一直到退休都堅持親自做實驗。他給了我許多具體的指導，帶我跨入了表觀遺傳領域，也讓我補足了研究生階段因客觀條件所限而導致的不夠充分的訓練。在Jost老師的指導下，五個多月後我作為第一作者，投出了第一篇《PNAS》論文，並於2000年順利發表。而就在幾個月前我對《PNAS》還有一種高不可攀的感覺，顯然我自己不可能在短短几個月里有那麼多進步，所以我深深意識到了當時國內科研水平和國際上的差距。

離開瑞士後，我又在美國做了一輪博士後。雖然當時我可以選擇回國，但我覺得有必要進一步提高自己的科研水準。在美國期間，導師Danny Reinberg給了我巨大的、不同層面的幫助。與Jost老師的具體指導不同，Reinberg老師給了我許多嘗試與失敗的自由，以及理論層面的提升，幫助我在獨立性和思考能力方面進一步提升。

葯明康德：所以對於您來說，從普通學生到優秀科學家的轉變不僅有導師的幫助指引，更來自自己內心的勇氣與轉變。您曾對媒體表示自己是一個樂觀主義者，對於當代的年輕學子，您覺得如何用樂觀主義的精神結出更加豐碩的成果？

朱冰博士：20年來，中國的整體發展非常迅猛。1999年我初到瑞士時，第一個感覺就是「什麼時候咱們也能有這樣的火車？」顯然，現在我們不但有了，而且還更好。

同樣值得點贊的還有各個領域基礎科研的進步，很多學科研究無論從硬體條件、還是學術內容都達到了全球最先進的水平，優秀的突破性學術成果也是層出不窮。現在我的學生們不會再認為國際一流的科研雜誌是難以企及的高度，我希望也相信當代的年輕學子不會再給自己設置理想的上限。

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