科学家通过分子开关来区分相关的免疫细胞

遗传学的基石是功能丧失实验。简而言之，这意味着要弄清楚基因X究竟在某个组织中起什么作用——不管是在发育脑细胞还是胰腺肿瘤中——你可以通过某种方式切断、关闭或破坏该组织中的基因X，然后观察会发生什么。早在人们知道化学DNA是构成基因的物质之前，基因的石蕊测试就已经被应用了。生物学家用来灭活基因的工具发生了根本性的变化。

到目前为止，科学家们希望通过从动物的基因组中剪去编码整个基因的DNA片段或非常大的片段来删除模型生物中的一个基因，就像老鼠那样。这种类型的基因“敲除”是拉霍亚过敏和免疫学研究所(LJI)的研究员凯瑟琳C.亨德里克博士在2011年使用的，当时她的实验室发现没有Nr4a1基因的老鼠缺乏抗炎亚型白细胞，绰号“巡逻的单核细胞”。

现在，Hedrick小组的最新研究报告了旨在以更精确的方式灭活Nr4a1的下一代分子操纵。该研究发表于2016年11月15日《科学》杂志免疫力，报告了a失活后同样的巡逻单核细胞群的丢失分子开关打开Nr4a1。“这项新工作令人兴奋，因为它表明我们可以直接针对特定细胞类型的基因，这对靶向治疗很重要，”炎症生物学部门的教授Hedrick说。

Hedrick实验室之前的研究表明，Nr4a1基因缺失后，巡逻单核细胞就会消失，这证明了Nr4a1基因对这种细胞类型的发育是必要的。后来，她的研究小组报告说，注射到缺乏Nr4a1(因此缺乏巡逻单核细胞)的小鼠体内的癌细胞发生了不受抑制的转移，这支持了巡逻单核细胞发挥抗癌作用的观点。但是一个重要的实验问题仍然悬而未决:在敲除Nr4a1的小鼠中发现的癌症转移是否与巨噬细胞中Nr4a1的潜在损失有关?巨噬细胞是使用Nr4a1来控制炎症的。

这篇新论文仅通过在巡逻单核细胞中沉默Nr4a1来回答这个问题。Hedrick团队通过应用传统的生物化学方法分离基因侧翼的DNA片段并确定单核细胞的“开关”来实现这一目标。科学家称这种组织特异性基因调控元件为“增强子”。然后他们证明，当被激活时，这个被他们称为“增强器#2”(E2)的DNA区域，只能在巡逻的单核细胞中打开Nr4a1的表达，而在相关的细胞中，如巨噬细胞，不能。

该小组通过对小鼠进行基因工程，证实了增强子的特异性，这些小鼠的基因组只缺少E2增强子，而不是基因本身，并且确实观察到缺乏巡逻的单核细胞。“到目前为止，我们还没有一种方法可以只在单核细胞中删除一个基因而不同时在巨噬细胞中删除它，”亨德里克实验室的博士后、该研究的第一作者格雷厄姆·托马斯博士说。“以增强子为目标，使我们能够以一种高度特定的方式研究特定的细胞类型，”托马斯说。“此外，消除增强剂告诉我们是什么改变了这些基因在第一个地方。如果我们要设计合理的目标来对付这些细胞，这种知识是至关重要的。”

为了确认巨噬细胞抛出一个完全不同的分子开关来打开Nr4a1，暴露小鼠组丢失了单核细胞的E2开关来打开细菌细胞膜上发现的一种有毒毒素，以此来观察巨噬细胞是否仍能启动正常的炎症反应。事实上，在E2突变体中，巨噬细胞的反应完全正常，不像整体的Nr4a1“敲除”，这表明巨噬细胞不使用遗传的E2开关。

最后，为了确保E2增强子的丢失与单核细胞中整个基因的缺失相似，研究小组重新使用了之前用于测试Nr4a1抗癌效果的肿瘤模型。为此，他们将黑色素瘤细胞注射到正常或E2突变小鼠的血液中，并监测肺转移。值得注意的是，开关丢失后的结果与小组之前物理移除该基因时所观察到的结果相同:突变小鼠的肺比正常小鼠的肺含有更多的黑色素瘤细胞。这证实了基因调控开关是高度特异性的一种细胞类型，单核细胞，肿瘤细胞的侵袭在没有这个群体的情况下与解除控制的巨噬细胞活性无关。

亨德里克还认为，新发现为DNA增强子区域的重要性提供了新的理解。“能够选择性地针对特定细胞类型，为理解如何设计治疗疾病的疗法打开了一个新世界，”她说。

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