营养物质的改变是自然界生物，包括人类，面对的主要环境因素之一。饥饿状态下，机体可以感应并调控基因表达，调动各个细胞或器官的激素，因子，以及信号通路来响应营养物质的减少，进而维持机体的正常功能。染色质结构的改变是基因表达的基础。然而，细胞染色质层面如何应对营养物质的改变尚不清楚。近日，德国亥姆霍兹慕尼黑中心表观遗传所Daphne S. Cabianca团队在Nature Cell Biology上发表了题为 Fasting shapes chromatin architecture through an mTOR/RNA Pol I axis”的研究性文章，系统地阐述了营养物质的改变对染色质的重塑及其背后的调控机制。本研究以秀丽隐杆线虫为模式生物，并结合活体成像技术，将饥饿引起的染色体重塑可视化。通过特异性标记HIS-72/H3.3, HIS-71/H3.3 and HIS-6/H3.2, HIS-24/H1.1 and HIS-1/H4，研究人员捕获到线虫肠道细胞染色质在饥饿12小时后发生明显改变，形成一种 “同心双环” 结构，而这种现象在皮下细胞以及肌肉细胞中并不明显。此外，温度改变的刺激也不能诱发肠道细胞染色质发生类似变化，说明这种改变受饥饿或是营养物质的特异性诱导。进一步多重荧光标记结果显示，染色质的内环和外环具有不同的标记蛋白，呈现异质性。在机制层面，mTOR信号通路是调控蛋白合成的重要通路，且响应营养物质的改变【1】，因此研究人员提出假设，mTOR通路是否是在饥饿状态下改变染色质的关键。通过一系列干扰实验和突变实验，研究人员证实mTOR活性的降低调控染色质“同心双环”结构的产生。此外，研究发现染色质结构改变的同时伴随着细胞核仁大小的改变。通常，细胞核仁的大小与核糖体RNA 的多少相关，受RNA Pol I的影响【2-4】。因此，研究人员还进一步分析了饥饿以及饥饿后进食动态变化中核仁大小的改变。研究发现，饥饿处理后进食3小时几乎可以将染色质结构恢复到未饥饿处理的状态，而RNA Pol I是逆转进食后染色质复原的关键。抑制RNA Pol I活性的实验证明，即使再进食的状态下，干扰或是敲除RNA Pol I也能使得染色质形成“同心双环”结构，进而调控基因的表达图谱。图二：进食和饥饿状态下肠道细胞染色质发生变化及其调控机制的模式图越来越多的证据表明，饮食和生活方式等环境线索通过表观遗传机制对人类代谢疾病的发病有影响【5】。此研究揭示了营养刺激如何改变基因组的空间结构，为基因组构架调控增加了一个新的维度。这一发现，强调了环境因素在代谢疾病中所扮演的重要角色，也为我们理解基因组如何响应环境变化提供了新的视角。https://www.nature.com/articles/s41556-024-01512-w制版人：十一
1. Mayer, C. & Grummt, I. Ribosome biogenesis and cell growth: mTOR coordinates transcription by all three classes of nuclear RNA polymerases. Oncogene 25, 6384–6391 (2006).
2. Derenzini, M. et al. Nucleolar function and size in cancer cells. Am. J. Pathol. 152, 1291–1297 (1998).
3. Neumuller, R. A. et al. Conserved regulators of nucleolar size revealed by global phenotypic analyses. Sci. Signal 6, ra70 (2013).
4. Tiku, V. & Antebi, A. Nucleolar function in lifespan regulation. Trends Cell Biol. 28, 662–672 (2018).
5. Wu, Y. L. et al. Epigenetic regulation in metabolic diseases: mechanisms and advances in clinical study. Signal Transduct. Target Ther. 8, 98 (2023).
BioART战略合作伙伴
（*排名不分先后）
转载须知
【原创文章】BioArt原创文章，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，所刊登的所有作品的著作权均为BioArt所拥有。BioArt保留所有法定权利，违者必究。
