在人類染色體中，DNA被蛋白包裹，形成一條超長(zhǎng)的串珠線。這條串珠線經(jīng)折疊后形成許多環(huán)（loop），據(jù)信這些環(huán)有助于細(xì)胞控制基因表達(dá)和促進(jìn)DNA修復(fù)，以及其他功能。在一項(xiàng)新的研究中，來自麻省理工學(xué)院、馬克斯-普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)，這些環(huán)是非常動(dòng)態(tài)的，而且比以前認(rèn)為的壽命更短。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年4月15日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Sphingolipids control dermal fibroblast heterogeneity”。
在這項(xiàng)新的研究中，這些作者能夠在大約兩個(gè)小時(shí)的時(shí)間里監(jiān)測(cè)活細(xì)胞中的一段基因組---Fbn2拓?fù)潢P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域（topologically associating domain, TAD）---的運(yùn)動(dòng)。他們觀察到這段基因組只有3%到6%的時(shí)間是完全成環(huán)的（即形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)），所形成的環(huán)只持續(xù)了大約10到30分鐘。這些發(fā)現(xiàn)表明科學(xué)家們目前對(duì)DNA環(huán)如何影響基因表達(dá)的理解可能需要修正。
論文共同通訊作者、麻省理工學(xué)院生物工程職業(yè)發(fā)展助理教授Anders Sejr Hansen說，“該領(lǐng)域的許多模型都是這些調(diào)節(jié)這些過程的靜態(tài)DNA環(huán)的圖片。我們的新論文表明，這種說法其實(shí)并不正確。”
脫離DNA環(huán)
利用計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些作者發(fā)現(xiàn)，基因組中的DNA環(huán)是由一種叫做擠壓（extrusion）的過程形成的，在這種過程中，一種分子馬達(dá)促進(jìn)了逐漸變大的DNA環(huán)的產(chǎn)生。該分子馬達(dá)每次遇到DNA上的“停止標(biāo)志（stop sign）”時(shí)就會(huì)停止。擠壓這些DNA環(huán)的分子馬達(dá)是一種叫做黏連蛋白（cohesin）的蛋白復(fù)合物，而DNA結(jié)合蛋白CTCF則充當(dāng)停止標(biāo)志。在以前的實(shí)驗(yàn)中，人們已觀察到了黏連蛋白介導(dǎo)的DNA環(huán)位于CTCF位點(diǎn)之間。
然而，這些實(shí)驗(yàn)只提供了一個(gè)瞬間的快照，沒有關(guān)于DNA環(huán)如何隨時(shí)間變化的信息。在這項(xiàng)的新研究中，這些作者開發(fā)了一些技術(shù)，使他們能夠?qū)TCF DNA位點(diǎn)進(jìn)行熒光標(biāo)記，以便他們能夠?qū)NA環(huán)進(jìn)行數(shù)小時(shí)的成像。他們還開發(fā)出一種新的計(jì)算方法，可以從成像數(shù)據(jù)中推斷出DNA成環(huán)事件。
論文共同通訊作者、馬克斯-普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)研究所小組負(fù)責(zé)人Christoph Zechner說，“這種方法對(duì)于我們區(qū)分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的信號(hào)和噪音以及定量確定DNA成環(huán)至關(guān)重要。我們相信，隨著我們不斷推動(dòng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的極限，該方法對(duì)生物學(xué)將變得越來越重要。”
這些作者用他們的方法對(duì)小鼠胚胎干細(xì)胞中的一段基因組進(jìn)行成像。論文共同**作者、麻省理工學(xué)院研究生Simon Grosse-Holz說，“如果我們把我們的數(shù)據(jù)放在一個(gè)持續(xù)約12小時(shí)的細(xì)胞分裂周期的背景下，完全形成的DNA環(huán)實(shí)際上只存在約20至45分鐘，僅占約3%至6%的時(shí)間。”
Hansen說，“如果DNA環(huán)只存在于細(xì)胞周期中如此短暫的時(shí)期，而且非常短暫，我們就不應(yīng)該認(rèn)為這種完全成環(huán)狀態(tài)是基因表達(dá)的主要調(diào)節(jié)因素。我們認(rèn)為我們需要新的模型來研究基因組的三維結(jié)構(gòu)如何調(diào)節(jié)基因表達(dá)、DNA修復(fù)和其他功能性下游過程。”
三維基因組結(jié)構(gòu)，圖片來自Frontiers in Cell and Developmental Biology, 2021, doi:10.3389/fcell.2020.626541。
雖然完全形成的DNA環(huán)很少，但是這些作者發(fā)現(xiàn)，部分?jǐn)D壓的DNA環(huán)在大約92%的情況下都存在。這些較小的DNA環(huán)用以前檢測(cè)基因組中DNA環(huán)的方法很難觀察到。
論文共同**作者、哈佛大學(xué)博士生Hugo Brand?o說，“在這項(xiàng)研究中，通過將我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與聚合物模擬相結(jié)合，我們?nèi)缃衲軌蚨看_定未成環(huán)狀態(tài)、部分?jǐn)D壓狀態(tài)和完全成環(huán)狀態(tài)的相對(duì)程度。”
論文共同**作者、麻省理工學(xué)院博士后Michele Gabriele補(bǔ)充說，“由于這些相互作用非常短暫，但非常頻繁，以前的方法無法完全捕捉它們的動(dòng)態(tài)。通過我們的新技術(shù)，我們可以開始解決完全成環(huán)狀態(tài)和未成環(huán)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。”
這些作者假設(shè)，這些部分成環(huán)的DNA片段可能在基因調(diào)控中比完全成環(huán)的DNA片段發(fā)揮更重要的作用。當(dāng)DNA環(huán)開始形成，然后解體時(shí)，不同的DNA鏈就會(huì)沿著彼此運(yùn)行，而且這些相互作用可能有助于諸如增強(qiáng)子和啟動(dòng)子之類的調(diào)節(jié)元件找到彼此。
論文共同通訊作者、麻省理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程與科學(xué)研究所Leonid Mirny教授說，“在90%以上的時(shí)間里，會(huì)有一些短暫存在的DNA環(huán)，大概重要的是讓這些DNA環(huán)一直遭受擠壓。擠壓過程本身可能比僅存在很短一段時(shí)間的完全成環(huán)狀態(tài)更重要。”
更多的DNA環(huán)需要研究
由于基因組中的大多數(shù)其他DNA環(huán)都比這些研究在這篇論文中研究的DNA環(huán)要弱，他們猜測(cè)許多其他的DNA環(huán)也將被證明是高度瞬時(shí)的。他們?nèi)缃裼?jì)劃使用他們的新技術(shù)在各種細(xì)胞類型中研究其中一些其他的DNA環(huán)。
Hansen說，“大約有一萬種這樣的DNA環(huán)，而我們已觀察到其中的一種。我們有很多間接證據(jù)表明，這些結(jié)果將是可推廣的，但我們還沒有證實(shí)這一點(diǎn)。通過使用我們建立的將新實(shí)驗(yàn)方法和計(jì)算方法相結(jié)合的技術(shù)平臺(tái)，我們可以開始研究基因組中的其他DNA環(huán)。”
這些作者還計(jì)劃探究特定的DNA環(huán)在**中的作用。許多**，包括一種叫做FOXG1綜合征的神經(jīng)發(fā)育障礙，可能與DNA環(huán)動(dòng)態(tài)變化的缺陷有關(guān)。他們?nèi)缃裾谘芯炕蚪M中的DNA環(huán)形成如何影響FOXG1基因的正常形式和突變形式以及致癌基因MYC。（生物谷 Bioon.com）
