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在最新的研究中，研究人員跟蹤了一個(gè)活細(xì)胞中的一段基因組的運(yùn)動(dòng)，時(shí)間約為兩個(gè)小時(shí)。他們發(fā)現(xiàn)，這段基因組只有3-6%的時(shí)間是完全環(huán)路的，環(huán)路則只持續(xù)了10-30分鐘左右。據(jù)研究人員介紹稱，這些發(fā)現(xiàn)表明，科學(xué)家們目前對(duì)環(huán)路如何調(diào)節(jié)基因表達(dá)的理解可能需要改變。

“該領(lǐng)域的許多模型都是這些靜態(tài)環(huán)路調(diào)節(jié)這些過程的圖片。我們的新論文所顯示的是，這幅圖景并不真正準(zhǔn)確，”MIT Underwood-Prescott職業(yè)發(fā)展助理教授Anders Sejr Hansen表示，“我們建議，這些領(lǐng)域的功能狀態(tài)要?jiǎng)討B(tài)得多。”

Hansen是這項(xiàng)新研究的資深作者之一，同時(shí)還有MIT醫(yī)學(xué)工程與科學(xué)研究所和物理系的教授Leonid Mirny及德國德累斯頓馬克斯-普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)研究所和德累斯頓系統(tǒng)生物學(xué)中心的小組負(fù)責(zé)人Christoph Zechner。MIT博士后Michele Gabriele、最近的哈佛大學(xué)博士學(xué)位獲得者Hugo Brand?o及MIT研究生Simon Grosse-Holz則都是這一研究論文的第一作者。論文則于當(dāng)?shù)貢r(shí)間4月14日發(fā)表在《科學(xué)》上。

脫離環(huán)路

通過利用計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括MIT的Mirny小組在內(nèi)的科學(xué)家們自出，基因組中的環(huán)路是由一個(gè)叫做擠壓的過程形成的。在這個(gè)過程中，一個(gè)分子馬達(dá)會(huì)促進(jìn)逐漸變大的環(huán)路的生長(zhǎng)。馬達(dá)每次在遇到DNA上的“停止標(biāo)志”時(shí)就會(huì)停止。擠壓這種環(huán)路的馬達(dá)是一種叫做協(xié)同蛋白的蛋白質(zhì)復(fù)合物，而跟DNA結(jié)合的蛋白質(zhì)CTCF則充當(dāng)停止信號(hào)。在以往的實(shí)驗(yàn)中，我們看到了CTCF位點(diǎn)之間由協(xié)同蛋白介導(dǎo)的這些環(huán)路。

然而這些實(shí)驗(yàn)只提供了一個(gè)瞬間的快照，其沒有關(guān)于環(huán)路如何隨時(shí)間變化的信息。在新研究中，研究人員開發(fā)了一些技術(shù)，這使他們能對(duì)CTCF DNA位點(diǎn)進(jìn)行熒光標(biāo)記，以便他們能對(duì)DNA環(huán)路進(jìn)行數(shù)小時(shí)的成像。另外，他們還創(chuàng)造了一種新的計(jì)算方法從而可以從成像數(shù)據(jù)中推斷出環(huán)路事件。

Zechner說道：“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)和噪音及量化環(huán)路至關(guān)重要。我們相信，隨著我們繼續(xù)用實(shí)驗(yàn)推動(dòng)檢測(cè)的極限，這種方法對(duì)生物學(xué)將變得越來越重要。”

研究人員用他們的方法對(duì)小鼠胚胎干細(xì)胞中的一段基因組進(jìn)行成像。“如果我們把我們的數(shù)據(jù)放在一個(gè)細(xì)胞分裂周期的背景下，這個(gè)周期持續(xù)約12小時(shí)，完全形成的環(huán)路實(shí)際上只存在了約20至45分鐘（約3%至6%的時(shí)間），”Grosse-Holz說道。

“如果環(huán)路只存在于細(xì)胞周期中如此微小的時(shí)期且非常短暫，我們就不應(yīng)該認(rèn)為這種完全環(huán)路的狀態(tài)是基因表達(dá)的主要調(diào)節(jié)器。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，”Hansen說道。

雖然完全形成的環(huán)狀物非常少，但研究人員發(fā)現(xiàn)，部分?jǐn)D壓的環(huán)狀物在約92%的情況下都存在。這些較小的環(huán)路用以前檢測(cè)基因組中環(huán)路的方法很難觀察到。

Brand?o表示：“在這項(xiàng)研究中，通過將我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)跟聚合物模擬相結(jié)合，我們現(xiàn)在已經(jīng)能量化未環(huán)形、部分?jǐn)D壓和完全環(huán)形狀態(tài)的相對(duì)程度。”

Gabriele則補(bǔ)充道：“由于這些相互作用非常短但非常頻繁，所以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環(huán)路和非環(huán)路狀態(tài)之間的過渡。”

研究人員假設(shè)，這些部分環(huán)路可能在基因調(diào)控中比完全形成的環(huán)路發(fā)揮更重要的作用。當(dāng)環(huán)路開始形成然后散開時(shí)，DNA鏈相互運(yùn)行，而這些相互作用可能有助于調(diào)節(jié)元素，如增強(qiáng)子和基因啟動(dòng)子找到對(duì)方。

“90%以上的時(shí)間都有一些瞬時(shí)的環(huán)路，據(jù)推測(cè)，重要的是有那些正在被永久擠壓的環(huán)路。擠壓的過程本身可能比只在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的完全環(huán)路狀態(tài)更重要，”Gabriele說道。

更多的環(huán)路需要研究

由于基因組中的大多數(shù)其他環(huán)路比研究人員在本文中研究的環(huán)路更弱，所以他們懷疑許多其他環(huán)路也將被證明是高度短暫的。現(xiàn)在，他們計(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環(huán)路。

Hansen說道：“約有一萬個(gè)這樣的環(huán)路，而我們已經(jīng)看了一個(gè)。我們有很多間接證據(jù)表明，這些結(jié)果將是可推廣的，但我們還沒有證明這點(diǎn)。使用我們建立的技術(shù)平臺(tái)并結(jié)合新的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方法，我們可以開始接近基因組中的其他環(huán)路。”

此外，研究人員還計(jì)劃調(diào)查特定環(huán)路在疾病中的作用。許多疾病--包括一種叫做FOXG1綜合征的神經(jīng)發(fā)育障礙都可能跟錯(cuò)誤的環(huán)路動(dòng)態(tài)有關(guān)。研究人員現(xiàn)在正在研究FOXG1基因的正常和突變形式及致癌基因MYC是如何被基因組環(huán)路形成影響的。

關(guān)鍵詞：研究人員實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)