李海濤：人類的細胞命運決定，表觀因素或許更具主導性 | 評論

編者按：

11月30日，北京大學教授饒毅、中科院生物物理研究所研究員朱冰，針對「表觀遺傳及其在細胞命運決定中的作用」展開了一場別開生面的辯論，吸引了現場數百聽眾、線上上萬直播觀眾。

辯論會後清華大學醫學院與結構生物學中心教授李海濤應《知識分子》編輯部邀請就本次辯論主題和雙方表現撰寫評論。李海濤認為這是在自然科學領域樹立辯論文化的一次有益嘗試，更好地把表觀遺傳學這一學科推向了大眾，同時，他還從表觀因子與轉錄因子逆向而行的角度對辯題作了進一步闡述，展望了相關研究的前沿方向，並總結認為，人類的細胞命運決定，表觀因素或許更具主導性。

撰文 | 李海濤（清華大學醫學院教授）

責編 | 鄧志英

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饒毅老師和朱冰老師對壘的這場辯論精彩而熱烈，兩位老師和上台的同學們都有著出色的發揮。一方面這是在自然科學領域樹立辯論文化的一次有益嘗試；另一方面，雖然存在激烈爭論，客觀上卻更好地把表觀遺傳學這一學科推向了大眾。同時，爭議議題本身也促進了包括我在內的一線科研工作者更多的思考，讓我們能夠更好地從圈內或圈外視角認識和理解自己所從事的學術領域。

其實辯論雙方隱含的一個共識是轉錄因子和表觀因子在細胞命運決定中的作用相輔相成，雙方都不否認兩者的必要性，而爭論的焦點是誰主誰次、誰驅動誰輔助。在饒毅老師看來，通常情況下轉錄因子起著驅動和主導作用，表觀因子只是必要的輔助；而在朱冰老師看來，表觀因子因為不可或缺到無處不在（組成型表達），反而被忽視了其重要性和在細胞命運決定中的主導性。從科研實證角度看，饒毅老師認為轉錄因子驅動性作用突出體現在轉錄因子的」加法「運算可以決定細胞命運，如MyoD表達導致肌肉細胞的命運決定，以及PAX6的表達可以使果蠅腿上長眼睛；而朱冰老師則表示大量實驗證明，表觀因子的」減法「運算導致細胞命運決定不能實現，如酵母「性別」的決定離不開SWI2這一染色質重塑因子，體現了表觀因子的關鍵性。

在我看來，表觀因子在細胞命運決定中的角色體現在兩個層面。一個層面是表觀因子與轉錄因子同向而行。在轉錄因子存在條件下，表觀因子作為一種必要因素，協助了轉錄因子靶基因的「開」或「關」（作者註：轉錄因子並不都是促進基因表達的，有一大類轉錄因子是抑制基因表達的阻遏子）；另一個層面則是表觀因子與轉錄因子逆向而行。在該情況下，表觀因子通過影響特定染色質結構的形成，壓制了轉錄因子的作用，此時即使轉錄因子存在，其靶基因也不能有效表達或沉默（一個典型的例子是果蠅的花斑位置效應）。可能是兩位老師學術背景的原因，這場辯論的例證主要集中在表觀因子第一層面的角色上，而對後一個層面的角色並未展開討論；顯然，表觀因子在後一層面起到一個主導性作用。細胞命運從本質上取決於細胞特性相關基因的開或關，以及開、關狀態的維持；表觀因素，尤其是與轉錄因子逆向而行層面的表觀因素，在這一過程中所擁有的分量和體量有多大，仍然是一個有待更多實驗驗證的科學命題。這場辯論所代表或引發的學術爭議，更加突出了這一需要。

表觀遺傳學作為一門新興和時髦的學科，在炒作概念就能賺錢的年代，確實很容易被誤讀、被利用，甚至滑向偽科學的極端。饒毅老師的質疑與朱冰老師的辯駁，使得領域內外的人們能夠更好地了解表觀遺傳學的定義、它的學科內涵及外延，當屬表觀學術界的一件好事。或許出於辯論的需要，饒毅老師對《Epigenetics》這部領域專著，領域專家David Allis，Danny Reinberg等人的工作，尤其是「組蛋白密碼」假說（其實表觀遺傳學研究領域內部，包括朱冰老師本人，對此也持有異議）等進行了刻意貶低，認為這裡存在著嚴重的誇大、事實不清和邏輯混亂等問題。饒毅老師也曾在微信里歡呼《紐約客》報道引起的爭議終於剝掉了表觀遺傳學的「皇帝新裝」（這正是本次辯論的起因）。

?辯論現場。攝影：安雪

事實果真如此么？表觀遺傳調控的分子本質是修飾依賴的識別與催化。表觀遺傳學對生命科學的一個最大貢獻是引導人們去尋找各種各樣的表觀遺傳修飾酶和識別因子等，在過去的二十年間，它的理論框架導致了一系列未知基因的功能性發現，比如各種乙醯化酶、甲基化酶、去乙醯化酶、去甲基化酶、乙醯化或甲基化識別因子等，對現代生命科學的發展有著深遠地影響。上述表觀遺傳領域的元件性發現，使得在更高層次探索這些元件組合、協同互作，包括與轉錄因子等協同互作而完成特定生物功能（比如細胞命運決定）成為了可能。許多重要的調控規律和機制迄待被做出，這一領域研究者的努力其實才剛剛開始……

辯論過程中一位北大化學院的同學問到，表觀因子沒有序列特異性，如何能知道該去激活哪些基因？畢竟相比之下，轉錄因子可以識別特定DNA序列，擁有天然的靶向特異性。我很欣賞這一質疑，因為挑戰性問題往往預示著重要的突破。

首先需要說明的是，許多重要的表觀因子（比如在早期發育和乾性維持中發揮著重要作用的PRDM家族成員等）直接含有DNA結合結構域（這一比例在人體中超過20%），雖然其序列特異性一般不如轉錄因子強，但也擁有一定的序列偏好性。從某種意義上講，能夠被表觀因子所識別的DNA序列可以被看作一類「表觀基序」（epi-motif），它們實質上承載了部分表觀遺傳信息，可以通過對錶觀因子的招募或穩定，促使「表觀基序」周圍特定表觀遺傳風貌的建立（作者註：直接後果並不一定是轉錄，這一點與轉錄因子不同），進而影響所在染色質區段的基因轉錄。此外，表觀因子對DNA序列的靶向也可以通過非編碼RNA機制完成，這裡轉錄本RNA對其模板DNA的天然配對能力提供了一種「配對依賴但非序列依賴」的特異靶向機制，實現了特定染色質區段的表觀遺傳風貌建立。經典的例子包括裂殖酵母中siRNA介導的異染色質形成以及高等生物中piRNA介導的轉座子元件沉默等。

的確，雖然當前大量的表觀遺傳修飾識別因子（也稱作「閱讀器」）被鑒定出，但是這些因子對錶觀修飾識別的專一性和強度相比於轉錄因子對DNA序列的識別要弱；因此，即使是表觀領域的專家，也並不怎麼認可表觀遺傳修飾可以起到驅動性的靶向招募作用，一般認為對錶觀修飾的識別更多的是通過一種「穩定」效果來輔助基因調控。然而弱結合或低專一性就一定不能導致靶向招募或聚集么？2009年才被提出，並於近年逐步被領域接受的「分相」（phase separation）學說發現，當生物大分子互作以多價方式存在的時候，可以在水相條件下實現互作生物大分子間的無膜液滴樣聚集 （Brangwynne CP et al., Science 2009；Li P et al., Nature 2012）。表觀遺傳修飾的組合性和串聯重複性及其識別因子的多價性（Ruthenburg AJ et al., Nat Rev Mol Cell Biol 2007 ）提示，表觀遺傳修飾介導的表觀因子聚集和招募可能採取了類似的分子機制。探討「分相」效應和多價識別在表觀遺傳調控特異性方面的貢獻，很多工作才剛剛開始……

?轉錄因子和表觀因子識別DNA或組蛋白的模式比較

轉錄因子對DNA序列的識別主要通過感知DNA大溝中鹼基排列形成的氫鍵風貌而實現（如上圖A，轉錄因子MyoD利用其一段α－螺旋插入到DNA大溝中實現氫鍵風貌識別；Philip CM et al., Cell 1994）。在染色質水平，眾多的組蛋白修飾和DNA修飾等造就了比DNA序列更複雜的表觀遺傳風貌，而對於特定表觀遺傳風貌的感知涉及到摺疊類型和識別機制更為複雜的眾多表觀因子的參與（如上圖B，「閱讀器」結構域DPF特異識別組蛋白H3巴豆醯化修飾風貌；Xiong X et al., Nat Chem Biol 2016 ）。生物大分子間的互作，不外乎氫鍵、鹽鍵、疏水作用、范氏力等的貢獻等。從分子識別角度看，轉錄因子對特定DNA序列的識別並不比表觀因子對錶觀遺傳風貌的識別更優越，進而更具主導性。鑒於固有的可逆調節性和多價性，表觀遺傳風貌的建立和識別所能提供的調控層次和潛能或許更高，對於複雜的多細胞生物，如我們人類的細胞命運決定，表觀因素或許更具主導性意義。

依照饒毅老師自己的批判風格而反推之，他對轉錄因子與DNA在大溝里氫鍵配對的自信和痴迷，是不是恰好也隱含了某些簡單化和誇大化的成分？

作者介紹

李海濤

清華大學醫學院教授。1997年山東大學本科畢業，2003年中科院生物物理所博士畢業，同年赴紐約斯隆-凱特琳癌症中心從事博士後研究，2010年回清華大學任教。長期從事表觀遺傳調控的分子結構基礎研究。先後發現並闡明了包括PHD、MBT、ADD、BROMO-PWWP、SPIN/SSTY、YEATS、BAH、DPF、NRMT1和SETD2等在內一系列表觀遺傳閱讀器或書寫器識別或催化組蛋白修飾的分子機制；參與提出並發展了組蛋白修飾多價態識別學說。目前在包括Nature, Cell在內的國際學術期刊發表論文或綜述50餘篇。

參考文獻：

1. Brangwynne CP et al., (2009) Germline P granules are liquid droplets that localize by controlled dissolution/condensation. Science 324(5935):1729-1732. [doi: 10.1126/science.1172046]

2. Li P et al., (2012) Phase transitions in the assembly of multivalent signalling proteins. Nature 483(7389):336-340. [doi: 10.1038/nature10879]

3. Ruthenburg AJ et al., (2007) Multivalent engagement of chromatin modifications by linked binding modules. Nat Rev Mol Cell Biol 8(12):983-994 [doi: 10.1038/nrm2298]

4. Philip CM et al., (1994) Crystal structure of MyoD bHLH domain-DNA complex: Perspectives on DNA recognition and implications for transcriptional activation. Cell 77(3):451-459 [doi: 10.1016/0092-8674(94)90159-7]

5. Xiong X et al., (2016) Selective recognition of histone crotonylation by double PHD fingers of MOZ and DPF2. Nat Chem Biol 12(11):1-8 [doi:10.1038/nchembio.2218]

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