科学普及

记朱冰VS饶毅学术辨论——表观遗传及其在细胞命运决定中的作用

日期:2016-12-01  浏览次数:2498

撰文:王敏
作者为中科院生物物理所李国红组2011级硕博生。

表观遗传学(epigenetics)的概念最早由Conrad Waddington于1942年提出,一直是生物学领域的研究热点。随着研究的深入,表观遗传因素在细胞命运决定中的重要性愈发突出,同时也引发了越来越多的争议。不同领域不同背景的研究者们站在不同的角度对其持有不同观点。比如站在发育生物学角度的饶毅老师认为,转录因子是决定细胞命运的关键因子,表观遗传因素的作用近年来被过度强调。然而,表观遗传领域诸多研究者如张毅、朱冰老师则认为,转录因子固然重要,但表观遗传因素更是不可或缺。

那么,在细胞命运决定中,转录因子和表观遗传因素哪一个更重要?11月30日,我们有幸参加了两位科学家——朱冰和饶毅在北京大学进行的一场严肃而又生动的科学辩论。


表观遗传学辩论的两位辩手(左:饶毅教授,右:朱冰研究员)

这次科学辩论吸引了众多怀着科研梦想的来自北京、上海和天津等地高校和科研院所的学生学者,500多人的大会场座无虚席。朱冰老师提前到达会场,衣着庄重又不失儒雅,整个会场气氛紧张又令人兴奋。随着饶毅老师的到来,辩论赛准时开始。

此次辩论一共分为两个大环节:阵地战和自由辩论。阵地战,即两位辩手分别有15分钟的阐述时间以及5分钟的总结时间。自由辩论则是两位老师分别选两位学生一起参与辩论,共计30分钟。

主持人作了简单介绍之后,由饶毅老师首先阐述自己的观点。

饶毅老师首先否定了表观遗传因素在细胞命运决定中起重要作用这一观点。他从Epigenetics这一单词的起源入手,批判了由C. David Allis 和Danny Reinberg等人所著的 《Epigenetics》这本书。他认为《Epigenetics》一书中把细胞命运局限在了环境和疾病两个方面,把细胞命运与细胞状态混为一谈。他强调序列特异性的转录因子才是细胞命运决定的重要因素,强调了转录因子在基因表达调控中的充分性、必要性和特异性。他以肌肉细胞的特异性转录因子MyoD为例,表示在多个不同类型的细胞中,表达MyoD会诱导其特异性转变为肌肉细胞而非其他种类细胞,并且指出没有一个表观因子可以实现这一点,以此证明转录因子对于细胞命运改变的充分性、必要性和特异性。

虽然饶毅老师毫不留情地驳斥了表观遗传的很多观点,但朱冰老师也给出了漂亮的回击。他首先提出了细胞命运变化的本质是转录过程的变化,而值得大家关注的真核生物的转录模板并不是裸露的DNA,而是染色质。表观遗传因子绝大多数都是在染色质水平上发挥作用。因此,他认为表观遗传因子在细胞命运决定中不可或缺,是一个必要条件。同时,他认为否定转录因子的重要性是不可取的,但是否定表观遗传调控因素的重要性更是不明智的。朱冰老师解释到,表观遗传因素可以是一个基因转录的路障,但也可以是一个推动者。比如在转录因子发挥作用中不可缺少的共激活因子,它们大部分都是表观遗传因子,在功能上它们可以说是基因转录通行证的颁发者。此外,朱冰老师也提出了表观遗传体系在细胞命运决定中的稳定作用,他以大家熟知的跳棋作比喻,解释了表观遗传因子为细胞命运决定的精准性提供了保障。

此次辩论可谓精彩纷呈、高潮迭起,饶毅老师言语犀利,大有“咄咄逼人”之势,而朱冰老师更是妙语连珠,回击的观点总有醍醐灌顶之效。

表观遗传学辩论中

在第二环节中,学生辩手的提问更是掀起了新的高潮,双方辩论的焦点聚集在细胞命运决定中,表观遗传因子和转录因子哪个更重要这一问题上。双方主要针对表观遗传因子是否可以像转录因子一样,在细胞命运决定中具备充分必要性以及特异性,并由此展开了深入的论述和解答。饶毅老师团队再次通过MyoD可以诱导其他类型的细胞转化为肌肉细胞的实例,强调转录因子的充分性和特异性,并指出大多数表观遗传因子不具备这些特点。朱冰老师则重申表观遗传因子大部分都是组成性表达,因此在MyoD 诱导肌肉细胞形成的实例中,大家往往忽视了表观遗传因子的作用。如果在缺失了表观遗传因子的情况下,转录因子MyoD也无法有效地诱导肌肉细胞的形成,因此转录因子也是和表观遗传因子一样,只具有必要性,并不具备充分性。此外,朱冰老师也解释了表观遗传因子并非没有方向性,比如在基因转录的激活过程中,这种由表观遗传因子调控的基因激活是有选择性和方向性的,把该激活的基因激活,这也正是细胞命运决定的关键环节。

这是一场精彩的辩论,更是一场追求科学真理的盛会。在不同观点的冲击下,科研工作者更深入地了解了表观遗传因子和转录因子在细胞命运决定中的作用及重要性,每个人心中也有了自己的观点和认识。

笔者更同意朱冰老师的观点,即尽管转录因子的重要性不可否定,但表观遗传因子在细胞命运决定中也发挥了不可或缺的作用。比如,H3K9me3的缺失会大大提高核移植过程中重编程的效率,同时在缺失染色质重塑因子SWI/SNF的情况下,即使有转录因子,细胞重编程也无法发生,这已足够说明表观遗传因子的重要性和必要性。而饶毅老师用MyoD为例阐述转录因子的充分性和特异性则有些牵强。高等生物体内有200多种不同的细胞类型,目前研究者只在几种细胞中发现MyoD可以诱导肌肉细胞形成,但是许多分化程度高的细胞(比如神经细胞和淋巴细胞等)无法进行由转录因子介导的重编程。因此饶毅老师提到的MyoD诱导某些细胞转变为肌肉细胞的实例,并不具备普遍性,这就否定了转录因子具备充分性这一论点。此外,从转录因子诱导细胞转分化的角度考虑,MyoD诱导细胞转分化的效率不是很高。在诱导肌肉细胞产生的过程中,研究者是利用了体外筛选体系,人为地有选择性地把转化出的肌肉细胞从众多细胞命运各异的群体中筛选出来。因此在过表达MyoD后,可能有很多细胞向不同细胞类型(肌肉细胞以外)的方向转分化,只是它们没有被筛选出来。因此,转录因子的方向性和特异性也还有待商讨。

这场关于表观遗传与细胞命运决定的科学辩论,以及在辩论过程中科学思想的碰撞给大家提供了很多启发和思考。期待后续有更多类似的科学辩论来丰富大家的认识,促进中国科学的发展和进步,也期待有更多更好的科学研究来解答当前的困惑。

致谢:文中图片来自中科院生物物理所王承志。

辩手简介

朱冰研究员
中科院生物物理所研究员,谈家桢生命科学创新奖得主,美国霍华德-休斯医学院国际青年科学家,中文版《表观遗传学》教材的编译者之一。
研究兴趣为:表观遗传信息的建立与维持机制;染色质修饰酶的活性调节。

饶毅教授
北京大学理学部主任,北京大学终身讲席教授,《知识分子》主编。
目前主要研究:(1)以分子生物学研究神经环路,(2)以新的途径发现神经递质分子;(3)用遗传学研究动物和人的睡眠机理;(4)用果蝇、老鼠、猴、人,研究重要社会行为和认知的分子和细胞机制。