血球細胞的甲基化地圖

隨著日本漫畫作品「工作細胞」迅速的竄紅，大家開始喚起在高中生物課本中對於血球細胞相關的回憶。然而，卻還是有個謎團深藏一直其中:這些具有相同的 DNA 序列的各種血球細胞，為何會有著截然不同的外在形狀以及生物功能呢？而這些生物機制又在人體中有著什麼樣的地位? 要回答這個問題，必須先了解表觀遺傳學 (epigenetics) 。表觀遺傳學所描述的是在不改變 DNA 序列的前提下，藉由特殊生物機轉的改變以調控基因的活性。其中以 DNA 以及 RNA 甲基化修飾 (methylation) 的反應在整個表觀遺傳系統中最為常見。目前研究普遍認為甲基化修飾在細胞生長、細胞分化、細胞增生和某些疾病的產生都有著關鍵性的作用。

為了能更深入探討 DNA 甲基化修飾在細胞分化時所扮演的角色。科學家首先以造血幹細胞分化的過程為主軸，分析在不同分化階段中血球細胞的 DNA 甲基化程度，以建構造血細胞分化的藍圖。在 2010 年約翰霍普金斯醫學院的 Hong Ji 等人利用老鼠造血幹細胞以及其分化的淋巴前驅細胞 (lymphoid progenitor) 、骨髓前驅細胞 (myeloid progenitor) 進行血球細胞的 DNA 甲基化研究 [1]。他們的研究成果發現在正常淋巴細胞生成的過程，其甲基化修飾的作用遠勝於在骨髓細胞發展的過程。而此結果正合理地解釋了為何在醫學臨床上去甲基化治療對於骨髓增生異常綜合症有較好的療效。

除了使用小鼠模型外，在近年來數個基於人體造血幹細胞的研究也相繼出版。Matthias Farlik 2016 年時在 Cell Stem Cell 發表了一篇詳細地探討了人體造血細胞的文章 [2]。該文章分析了在不同分化階段造血細胞 DNA 甲基化的狀態，同時利用機器學習的工具重建了造血細胞之間的甲基化關係圖，如圖一所示。該團隊也發現，DNA 甲基化修飾的程度不只會因細胞種類不同而改變，不同器官來源的同種類細胞也會有甲基化程度的差異。此結果也在2018年被來自西班牙奧維耶多大學的 Tejedor 等人的研究結果所驗證 [3]。Tejedor 等人運用最新的甲基化 850K 晶片全面性的偵測866,836個位點。此高密度位點的分析除了同樣的偵測出甲基化修飾在不同組織、不同分化階段有顯著的差異外，同時發現相對於嗜中性球、單核細胞、自然殺手細胞以及 B 細胞等已分化完的血球細胞，T 細胞帶有大量的甲基化區域。除此之外，該研究團隊特別指出 T 細胞在 PU.1 和 TAL1 等轉錄因子的相關結合位點都有顯著的甲基化修飾。

相對於 DNA 甲基化，RNA 甲基化修飾在細胞分化的角色定位尚在起步階段。在 2017 年，由北京中科院與基因組研究所合作在 Nature 上揭露了 m6A 甲基化修飾在造血幹细胞的關鍵作用 [4]。m6A 為 N6-methyladenosine 的簡稱，是一種 mRNA 上的鹼基修飾行為，其影響範圍包括 RNA 代謝、剪切，轉錄轉譯等。METTL3 為 m6A 重要的甲基轉移酶，調控著 m6A RNA 甲基化修飾，該團隊發現，在 METTL3 缺失的胚胎中，造血幹细胞不能正常製造，但血管的内皮特性卻明顯增強。因此，推論 m6A 修飾與血液系統的發展息息相關。

隨著 RNA 甲基化在細胞分化研究的投入人員越來越多，相關的文章也陸陸續續的呈現在世人面前 [5]，相信對於 RNA 表觀遺傳學的謎團也有越來越清晰的解釋了。

參考文獻：

1. Ji, H., Ehrlich, L. I., Seita, J., Murakami, P., Doi, A., Lindau, P., … & Rossi, D. J. (2010). Comprehensive methylome map of lineage commitment from haematopoietic progenitors. Nature, 467(7313), 338. doi:10.1038/nature09367
2. Farlik, M., Halbritter, F., Müller, F., Choudry, F. A., Ebert, P., Klughammer, J., … & Uppal, R. (2016). DNA methylation dynamics of human hematopoietic stem cell differentiation. Cell Stem Cell, 19(6), 808-822. doi:10.1016/j.stem.2016.10.019
3. Tejedor, J. R., Bueno, C., Cobo, I., Bayón, G. F., Prieto, C., Mangas, C., … & Fraga, M. F. (2018). Epigenome-wide analysis reveals specific DNA hypermethylation of T cells during human hematopoietic differentiation. Epigenomics, 2018 Jul;10(7):903-923. doi: 10.2217/epi-2017-0163.
4. Zhang, C., Chen, Y., Sun, B., Wang, L., Yang, Y., Ma, D., … & Lu, X. (2017). m6A modulates haematopoietic stem and progenitor cell specification. Nature, 549(7671), 273. doi:10.1038/nature23883
5. Li, H. B., Tong, J., Zhu, S., Batista, P. J., Duffy, E. E., Zhao, J., … & Wang, G. (2017). m6A mRNA methylation controls T cell homeostasis by targeting the IL-7/STAT5/SOCS pathways. Nature, 548(7667), 338. doi:10.1038/nature23450

 

撰文│Ash Tai (戴安順)
審稿│高唯真