细胞分裂概念图（来源：sciencephoto）
各种不同类型的细胞为了在即使进行了好几轮的分裂后也能保持其特征，每个细胞都必须“牢记”哪些基因在分裂前是激活的并将这些记忆传递给子细胞。细胞通过一种“书签”过程来应对这种挑战。便利贴能在书本中标出最后阅读的页码，用同样的方式，特定的分子在细胞中对激活的基因进行标记，从而在分裂后，相同的基因在新细胞中能立即重新激活。
“不过，我们之前所不知道的是，分裂前被标记的基因是如何在分裂后重新激活的，”冷泉港实验室的David L. Spector教授说。通过观察和测定一个细胞在分裂前其中的单个基因位点（基因特定的染色体位置）的激活动力学，并与在新的子细胞中相同基因重新激活的动力学进行比较，Spector和他的团队现在得到了问题的答案。他们的研究结果发表在10月9号的《Nature Cell Biology 》上。
在细胞分裂或有丝分裂过程中，细胞重所有基因的活性出现暂时的中断。细胞的染色质——缠绕在组蛋白（折叠DNA的蛋白质）上的染色体DNA——变得非常紧凑；大多数在通常情况下粘附在染色质上以保持基因表达的蛋白质被剥离开；转录——DNA拷贝成为RNA的过程——停止。当分裂结束后，染色质在新的细胞中重新压缩或散开，转录调节蛋白进入到染色质的特定位点，基因开始一轮的转录。
为了弄清这种分裂后过程在运转中是如何设定的，Spector的团队使用一种他们之前开发的新的活细胞成像技术，对特定基因位点及当其激活时从该位点转录而来的RNA进行实时观察。在这套实验系统中，被观察的基因位点、转录激活蛋白以及由该基因转录而来的RNA均由不同颜色的荧光标签标记。
“通过观察在细胞分裂与有丝分裂之间的一个阶段——细胞间期——中两次不同时间点相同位点上基因的表达，我们发现，在有丝分裂后进行重新激活时，基因激活非常迅速，”Spector解释说。进一步的分析表明，细胞间期的转录活动以书签的形式留下了记忆，这种书签保存在有丝分裂中，对基因的有丝分裂后快速重激活非常重要。
科学家们展示的这种书签是一种组蛋白分子，它进行过一种叫做乙酰化的化学修饰，改变了它与DNA及结合在DNA上的蛋白质之间的反应。“在有丝分裂前，我们观察到了基因位点在该种叫做H4K5Ac的乙酰化组蛋白上聚集，H4K5Ac与少量的另外一种叫做BRD4的蛋白质保留在原位，BRD4蛋白质用于保持基因位点的紧凑型要低于染色质的其余部分。”文章的第一作者Rui Zhao博士解释说。
当有丝分裂结束时，科学家观察到其他的BRD4蛋白质迅速集合到子细胞中书签的位置。这反过来松开了缠绕的染色质并吸收转录体系的其他成员到被标签的基因上，从而该基因迅速重新激活。
过往的研究表明，BRD4蛋白质是诸如乙酰化组蛋白的染色质标记“阅读器”，根据Spector的研究，这可能归功于它能在书签位置快速累积。冷泉港实验室另外一项最近的研究鉴定出了BRD4在癌症细胞增殖中所起的作用，研究表明抑制其活性可以组织白血病的发展。
“我们的研究指出了BRD4在染色质解压缩中的作用，” Spector说。“在有丝分裂后的细胞中，BRD4在RNA聚合酶II出现前补充到书签位置，这个事实暗示了在新形成的细胞中该蛋白质在基因重新激活中的全局性作用，”他补充道。“很明显，‘先激活’的基因是那些需要被书签标记的基因，并且有很多种不同的书签。我们现在试图鉴定出这些基因并确定是什么在选择它们进行先行激活。”（生物探索william）
相关英文论文摘要：
Gene bookmarking accelerates the kinetics of post-mitotic transcriptional re-activation
Although transmission of the gene expression program from mother to daughter cells has been suggested to be mediated by gene bookmarking, the precise mechanism by which bookmarking mediates post-mitotic transcriptional re-activation has been unclear. Here, we used a real-time gene expression system to quantitatively demonstrate that transcriptional activation of the same genetic locus occurs with a significantly more rapid kinetics in post-mitotic cells versus interphase cells. RNA polymerase II large subunit (Pol II) and bromodomain protein 4 (BRD4) were recruited to the locus in a different sequential order on interphase initiation versus post-mitotic re-activation resulting from the recognition by BRD4 of increased levels of histone H4 Lys 5 acetylation (H4K5ac) on the previously activated locus. BRD4 accelerated the dynamics of messenger RNA synthesis by de-compacting chromatin and hence facilitating transcriptional re-activation. Using a real-time quantitative approach, we identified differences in the kinetics of transcriptional activation between interphase and post-mitotic cells that are mediated by a chromatin-based epigenetic mechanism.
英文论文链接：https://www.nature.com/ncb/journal/vaop/ncurrent/full/ncb2341.html
