《Developmental Biology》：Drosophila grainyhead gene and its neural stem cell specific enhancers show epigenetic synchrony in the cells of the central nervous system
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在研究組織特異性基因調控機制的難題上，研究人員以果蠅（Drosophila）grh 基因的中樞神經系統（CNS）特異性表達為切入點展開研究。他們鑒定并刪除相關增強子，發現 grh 基因表達依賴多個增強子，且這些增強子與基因存在表觀遺傳同步性。該研究為基因調控研究提供了新視角。
在生命科學的微觀世界里，基因調控一直是科學家們試圖解開的神秘謎題�；虻谋磉_就像一場精準的交響樂演奏，何時奏響、何處發聲都受到精密的調控。增強子（Cis-Regulatory Elements，CREs）作為基因調控的關鍵 “指揮”，掌控著組織特異性基因表達的節奏。然而，盡管科學家們已經知道增強子的重要性，但仍有許多疑問亟待解答。比如，如何確定一個特定的增強子對于某組織中基因表達是必需的？基因的表觀遺傳狀態與細胞特異性增強子之間有著怎樣的關聯？這些問題在中樞神經系統（Central Nervous System，CNS）的發育研究中尤為突出，因為 CNS 的發育涉及復雜的細胞分化和基因表達調控過程。
為了深入探究這些問題，來自未知研究機構的研究人員將目光聚焦于果蠅（Drosophila）的 grainyhead（grh）基因。grh 基因及其脊椎動物直系同源物編碼堿性螺旋 - 環 - 螺旋轉錄因子（Transcription Factor，TF），在維持上皮細胞的穩態和神經干細胞（Neural Stem Cell，NSC）的多種活動中發揮著重要作用，比如在果蠅 CNS 中參與神經元多樣性的產生、NSC 的增殖以及細胞凋亡的調控等。但目前，對于 Grh 及其脊椎動物同源物的表達調控機制，人們知之甚少。
研究人員開展了一系列研究，最終得出了許多重要結論。他們發現 grh 基因在 NSC 中的穩健表達依賴多個增強子，不同的增強子組合對其在不同細胞亞群中的表達調控起著關鍵作用。同時，這些增強子和 grh 基因在 CNS 發育的三種細胞類型（NSC、中間祖細胞和神經元）中表現出表觀遺傳同步性。此外，研究還發現中間祖細胞雖繼承了來自 NSC 的 Grh 蛋白，但并不轉錄 grh 基因，這可能是調控中間祖細胞中細胞命運決定蛋白表達的普遍機制。該研究成果發表在《Developmental Biology》上，為理解基因表達調控的分子機制提供了新的視角，對神經發育和相關疾病研究具有重要意義。
在研究過程中，研究人員主要運用了以下關鍵技術方法：首先，利用 CRISPR-Cas9 技術精確刪除特定的增強子，以探究其對 grh 基因表達的影響；其次，借助 Targeted DamID（TaDa）技術探測基因 / 增強子在組織特異性染色質中的狀態。通過這些技術，研究人員得以深入研究 grh 基因及其增強子在 CNS 發育過程中的作用機制。
下面具體來看研究結果：
- grh 增強子的表達分析：此前已知果蠅 CNS 中 NSC 的 grh 基因表達可能受兩個增強子調控，一個是位于第二內含子的 4Kb 基因組區域，另一個是第七內含子的 1.5kb 區域。研究人員在此基礎上，又鑒定出七個新的潛在調控 NSC 和翅原基中 Grh 表達的 CREs。
- 增強子缺失對 grh 基因表達的影響：研究人員運用 CRISPR-Cas9 技術刪除了其中兩個增強子。結果發現，單個增強子缺失的純合子果蠅成年后可存活，且對幼蟲 NSC 中 Grh 的表達沒有影響。但當兩個增強子的兩個拷貝都缺失時（即增強子雙缺失的反式雜合子 grhDD和 grh 缺陷型 grhDf-grhDD/Df），大多數 NSC 中 Grh 的表達顯著下降，少數 NSC 中 Grh 完全缺失。這一變化還導致 NSC 出現增殖缺陷和凋亡受阻的現象，不過非神經組織（翅盤）中 Grh 的表達未受影響。這表明 grh 基因在 CNS 中的表達穩健性依賴多個增強子，所刪除的兩個增強子對發育中的 CNS 中 grh 基因的表達調控具有重要的協同作用。
- 增強子和 grh 基因的表觀遺傳同步性：研究人員發現，缺失的增強子和 grh 基因在 CNS 的三種細胞類型中表現出表觀遺傳同步性。在 NSC 中，grh 基因的表達受多梳蛋白（Polycomb protein，Pc）的差異調控；在神經元中，其表達被異染色質蛋白 1a（Heterochromatin Protein 1a，HP1a）和抑制性組蛋白 H1 關閉。
- 中間祖細胞中 grh 基因的轉錄情況：研究發現，神經節母細胞（Ganglion Mother Cells，GMCs，屬于中間祖細胞）雖繼承了來自 NSC 的 Grh 蛋白，但并不轉錄 grh 基因。這一現象提示，這可能是調控中間祖細胞中細胞命運決定蛋白表達的一種普遍策略。
綜上所述，研究人員通過對果蠅 grh 基因及其神經干細胞特異性增強子的研究，揭示了基因表達調控的復雜機制。一方面，明確了多個增強子在 grh 基因表達調控中的協同作用，證實了增強子冗余會導致 grh 基因表達的表型穩健性，這是多個增強子累積活動的結果；另一方面，發現了增強子與基因之間的表觀遺傳同步性以及中間祖細胞中調控細胞命運決定蛋白表達的潛在機制。這些研究成果不僅加深了人們對果蠅神經發育過程中基因調控的理解，也為其他生物系統中類似機制的研究提供了重要參考，為后續探索神經發育相關疾病的發病機制和治療策略奠定了理論基礎。
