Di truyền biểu sinh qua quá trình nguyên phân

Di truyền biểu sinh qua quá trình nguyên phân là sự duy trì các trạng thái biểu hiện gen và cấu hình nhiễm sắc thể từ tế bào mẹ sang hai tế bào con trong mỗi lần phân chia tế bào soma. Đây là cơ sở của bản sắc tế bào ổn định: khi một tế bào phân chia, các tế bào con của nó không chỉ thừa hưởng bộ gen mà còn cả một "ký ức" về việc gen nào được bật và tắt, để một dòng tế bào biệt hóa vẫn giữ được trạng thái biệt hóa.

Definition

Di truyền biểu sinh qua quá trình nguyên phân là sự truyền các trạng thái nhiễm sắc thể hoặc các chương trình biểu hiện có thể di truyền từ một tế bào đang phân chia sang các tế bào con của nó thông qua các cơ chế không phải là thay đổi trình tự DNA, sao cho các tế bào con tái tạo lại trạng thái điều hòa của tế bào mẹ.

Scope

Chủ đề này bao gồm cách các trạng thái nhiễm sắc thể tồn tại qua các sự kiện gây gián đoạn của pha S và nguyên phân – sự dịch chuyển và pha loãng histone, mất tạm thời quá trình phiên mã và sự cô đặc nhiễm sắc thể – và cách chúng được tái thiết lập sau đó. Nó tập trung vào sự di truyền soma (nguyên phân) và xử lý chủ đề này như một lĩnh vực sinh học phân tử và phát triển, không phải là lời khuyên lâm sàng.

Core questions

• Trạng thái nhiễm sắc thể tồn tại như thế nào qua quá trình sao chép DNA, khi các histone của tế bào mẹ bị pha loãng gấp đôi trên hai sợi con?
• Điều gì cho phép một dấu hiệu tự duy trì được phục hồi thay vì dần dần bị mất đi qua các lần phân chia kế tiếp?
• Ký ức phiên mã được duy trì như thế nào qua quá trình nguyên phân, khi hầu hết quá trình phiên mã bị ngừng hoạt động?

Key concepts

• Tính di truyền nguyên phân của các trạng thái biểu hiện
• Tái chế và pha loãng histone tại quá trình sao chép
• Phục hồi các dấu hiệu trước pha S tiếp theo
• Đánh dấu nguyên phân (Mitotic bookmarking)
• Tính ổn định so với khả năng đảo ngược của ký ức tế bào

Key theories

Phục hồi tự làm khuôn mẫu của các dấu hiệu bị pha loãng

Bởi vì các histone của tế bào mẹ và các biến đổi của chúng được phân chia giữa hai sợi con và do đó bị pha loãng, sự di truyền trung thực được cho là phụ thuộc vào các enzyme "ghi" nhận biết dấu hiệu còn lại của tế bào mẹ và sao chép nó lên các histone mới được lắng đọng, phục hồi hoàn chỉnh mô hình trước lần phân chia tiếp theo.

Mechanisms

Trong pha S, các nucleosome phía trước chạc sao chép được tháo rời và các histone của tế bào mẹ được phân phối cho cả hai sợi con, nơi chúng được trộn lẫn với các histone mới tổng hợp; điều này làm giảm một nửa mật độ của bất kỳ biến đổi nào. Do đó, sự di truyền trung thực đòi hỏi các dấu hiệu còn lại của tế bào mẹ phải làm khuôn mẫu cho sự biến đổi của các histone mới, thường thông qua các enzyme "ghi" được tuyển dụng bởi chính sản phẩm của chúng. Trong quá trình nguyên phân, sự cô đặc và ngừng hoạt động của hầu hết quá trình phiên mã đe dọa thông tin điều hòa, và một giải pháp được đề xuất là đánh dấu nguyên phân (mitotic bookmarking), trong đó một số yếu tố hoặc dấu hiệu vẫn liên kết với các locus quan trọng để báo hiệu chúng được tái hoạt hóa nhanh chóng. Cùng với nhau, sự phục hồi liên quan đến sao chép và đánh dấu cho phép các tế bào con xây dựng lại trạng thái nhiễm sắc thể của tế bào mẹ.

Clinical relevance

Sự di truyền nguyên phân trung thực giúp các tế bào biệt hóa ổn định, và những thất bại của sự trung thực này được thảo luận trong bối cảnh các trạng thái tế bào bất thường; do đó, chủ đề này xuất hiện trong các bài giảng di truyền học cơ bản. Nó mô tả cách ký ức được truyền đi và không phải là cơ sở để chẩn đoán hoặc điều trị cá nhân.

History

Bằng chứng cho thấy các trạng thái biểu hiện có thể tồn tại qua quá trình phân chia đã tích lũy từ các nghiên cứu về sự biến đổi hiệu ứng vị trí, bất hoạt nhiễm sắc thể X và sự im lặng của Polycomb trong suốt thế kỷ XX. Khung phân tử được thắt chặt với đề xuất mã histone và với các nghiên cứu chi tiết về cách các nucleosome và các dấu hiệu của chúng hoạt động tại chạc sao chép, điều này đã định hình lại sự di truyền nguyên phân như một vấn đề khôi phục thông tin bị pha loãng trong mỗi chu kỳ tế bào.

Debates

Liệu các biến đổi histone có thực sự là các yếu tố mang ký ức có thể di truyền, hay là kết quả của các tín hiệu khác?

Việc các dấu hiệu histone tự thân có phải là các đơn vị di truyền tự duy trì, hay chúng được tái thiết lập trong mỗi chu kỳ bởi các yếu tố đặc hiệu trình tự và sự methyl hóa DNA, vẫn còn đang được tranh luận; cả sự phục hồi bằng các vòng lặp đọc-ghi và sự tái hướng dẫn bởi các yếu tố điều hòa thượng nguồn đều được hỗ trợ trong các hệ thống khác nhau.

Key figures

• Genevieve Almouzni
• Danny Reinberg
• Robin Allshire
• C. David Allis

Seminal works

• allis-jenuwein-2001
• probst-2009
• margueron-reinberg-2011

Frequently asked questions

Trạng thái bật/tắt của một gen được ghi nhớ như thế nào khi một tế bào phân chia?

Các dấu hiệu nhiễm sắc thể và các histone của tế bào mẹ được tái chế mang trên các sợi con hoạt động như các khuôn mẫu, và các enzyme "ghi" phục hồi hoàn chỉnh mô hình sau khi sao chép để mỗi tế bào con xây dựng lại trạng thái biểu hiện của tế bào mẹ.

Đánh dấu nguyên phân (mitotic bookmarking) là gì?

Đó là sự giữ lại một số yếu tố hoặc dấu hiệu tại các gen quan trọng trong quá trình nguyên phân, khi hầu hết quá trình phiên mã bị ngừng hoạt động, để các gen đó có thể được tái hoạt hóa nhanh chóng khi tế bào thoát khỏi quá trình phân chia.