在人类染色体中，DNA被蛋白质包裹进而形成一条极长的珠状线。这条“线”被折叠成多个环路，这被认为有助于细胞控制基因表达和促进DNA修复及其他功能。根据麻省理工学院(MIT)的一项新研究，这些环路比以前认为的更有活力但寿命更短。
在最新的研究中，研究人员跟踪了一个活细胞中的一段基因组的运动，时间约为两个小时。他们发现，这段基因组只有3-6%的时间是完全环路的，环路则只持续了10-30分钟左右。据研究人员介绍称，这些发现表明，科学家们目前对环路如何调节基因表达的理解可能需要改变。
“该领域的许多模型都是这些静态环路调节这些过程的图片。我们的新论文所显示的是，这幅图景并不真正准确，”MIT Underwood-Prescott职业发展助理教授Anders Sejr Hansen表示，“我们建议，这些领域的功能状态要动态得多。”
Hansen是这项新研究的资深作者之一，同时还有MIT医学工程与科学研究所和物理系的教授Leonid Mirny及德国德累斯顿马克斯-普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所和德累斯顿系统生物学中心的小组负责人Christoph Zechner。MIT博士后Michele Gabriele、最近的哈佛大学博士学位获得者Hugo Brandão及MIT研究生Simon Grosse-Holz则都是这一研究论文的第一作者。论文则于当地时间4月14日发表在《科学》上。
脱离环路
通过利用计算机模拟和实验数据，包括MIT的Mirny小组在内的科学家们自出，基因组中的环路是由一个叫做挤压的过程形成的。在这个过程中，一个分子马达会促进逐渐变大的环路的生长。马达每次在遇到DNA上的“停止标志”时就会停止。挤压这种环路的马达是一种叫做协同蛋白的蛋白质复合物，而跟DNA结合的蛋白质CTCF则充当停止信号。在以往的实验中，我们看到了CTCF位点之间由协同蛋白介导的这些环路。
然而这些实验只提供了一个瞬间的快照，其没有关于环路如何随时间变化的信息。在新研究中，研究人员开发了一些技术，这使他们能对CTCF DNA位点进行荧光标记，以便他们能对DNA环路进行数小时的成像。另外，他们还创造了一种新的计算方法从而可以从成像数据中推断出环路事件。
Zechner说道：“这种方法对于我们区分实验数据中的信号和噪音及量化环路至关重要。我们相信，随着我们继续用实验推动检测的极限，这种方法对生物学将变得越来越重要。”
研究人员用他们的方法对小鼠胚胎干细胞中的一段基因组进行成像。“如果我们把我们的数据放在一个细胞分裂周期的背景下，这个周期持续约12小时，完全形成的环路实际上只存在了约20至45分钟（约3%至6%的时间），”Grosse-Holz说道。
“如果环路只存在于细胞周期中如此微小的时期且非常短暂，我们就不应该认为这种完全环路的状态是基因表达的主要调节器。我们认为我们需要新的模型来研究基因组的三维结构如何调节基因表达、DNA修复和其他功能性下游过程，”Hansen说道。
虽然完全形成的环状物非常少，但研究人员发现，部分挤压的环状物在约92%的情况下都存在。这些较小的环路用以前检测基因组中环路的方法很难观察到。
Brandão表示：“在这项研究中，通过将我们的实验数据跟聚合物模拟相结合，我们现在已经能量化未环形、部分挤压和完全环形状态的相对程度。”
Gabriele则补充道：“由于这些相互作用非常短但非常频繁，所以以前的方法无法完全捕捉它们的动态。通过我们的新技术，我们可以开始解决完全环路和非环路状态之间的过渡。”
研究人员假设，这些部分环路可能在基因调控中比完全形成的环路发挥更重要的作用。当环路开始形成然后散开时，DNA链相互运行，而这些相互作用可能有助于调节元素，如增强子和基因启动子找到对方。
“90%以上的时间都有一些瞬时的环路，据推测，重要的是有那些正在被永久挤压的环路。挤压的过程本身可能比只在短时间内出现的完全环路状态更重要，”Gabriele说道。
更多的环路需要研究
由于基因组中的大多数其他环路比研究人员在本文中研究的环路更弱，所以他们怀疑许多其他环路也将被证明是高度短暂的。现在，他们计划使用他们的新技术在各种细胞类型中研究其中一些其他环路。
Hansen说道：“约有一万个这样的环路，而我们已经看了一个。我们有很多间接证据表明，这些结果将是可推广的，但我们还没有证明这点。使用我们建立的技术平台并结合新的实验和计算方法，我们可以开始接近基因组中的其他环路。”
此外，研究人员还计划调查特定环路在疾病中的作用。许多疾病--包括一种叫做FOXG1综合征的神经发育障碍都可能跟错误的环路动态有关。研究人员现在正在研究FOXG1基因的正常和突变形式及致癌基因MYC是如何被基因组环路形成影响的。
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