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Nature測序新方法解密DNA調控機制

日期:2012-04-13 08:32:05

人類具有23對染色體,指導機體發(fā)育,這些染色體中的DNA包含了所有生物機體藍圖,雖然科學家們已逐步了解了DNA的一維平面結構,但是至今關于這些DNA的不同部分在細胞核中如何折疊,相互作用的還并不清楚。

 

來自Ludwig癌癥研究所,加州大學圣地亞哥分校等處的研究人員發(fā)表了題為“Topological domains in mammalian genomes identified by analysis of chromatin interactions”的文章,利用一種強有力的DNA測序方法,分析了細胞核染色體中的DNA三維結構,這將有助于科學家們更深入的了解DNA折疊的基礎機理,以及其在基因調控中的作用。

 

文章的通訊作者是Ludwig癌癥研究所Bing Ren(任兵,生物通譯)教授,任教授1991年從中國科技大獲得學士學位,之后赴美在哈佛大學獲得計算機專業(yè)碩士學位,1998年獲得哈佛大學生化學博士學位,在白頭研究所做博士后研究,2001年加入Ludwig 癌癥研究所,之后進入加州大學圣地亞哥分校。

 

他表示,“無論是哪種生物教科書,我們看到的有關基因如何編碼的圖表,都是一維平面的。事實上,基因的兩個部分也許在線性上距離遠,但在立體中卻靠得很近”,“隨著深入了解DNA如何在細胞核內折疊的,現在我們能構建一張基因調控流程更完整的圖像”。空間構造與功能密切相關。

 

研究人員采用了一種以測序為基礎的方法:Hi-C,利用這種方法,他們檢測了染色體的三維結構,“我們采用這種方法,能構建兩個染色體的相互作用圖譜,從而推斷DNA折疊的模式。現在我們知道,這些DNA能折疊成許多稱為拓撲結構域的結構域,這平均包含一百萬堿基。通過比對,整個人類基因組大約是三十億堿基對”,文章的第一作者,任教授實驗室Jesse Dixon表示。

 

Hi-C是一種3C衍生技術,基于交聯DNA與生物素linker的鄰近連接,能夠拉下(pull down)片段,接著進行高通量測序。之前曾從800萬個讀取對中產生基因組范圍的接觸模型,分辨率在1MB

 

研究組分析了這個相互作用圖譜,發(fā)現拓撲結構域是折疊的基礎單元,之后他們又通過在不同細胞類型中比對分析,確認了這一研究結論。在每種細胞類型中,DNA折疊成的拓撲結構域是固定的。

 

同時來自麻省醫(yī)學院的研究人員進行的另外一個平行實驗也支持了上述結論,他們主要聚焦于小鼠胚胎干細胞中X染色體上的區(qū)域,以及神經細胞,成纖維細胞。研究人員發(fā)現這一區(qū)域的折疊模式與任教授研究組發(fā)現的相似。這進一步表明了這種組織方式與基因調控有關。

 

“這還只是這一令人激動的研究領域的一個開端——從三維的角度理解細胞核進程。我們知道,一些癌癥,包括多種白血病都是由于兩種基因易位引發(fā)的,目前還不清楚這種易位是如何發(fā)生的,以及其是否是由偶然事件引發(fā)的。如果能了解染色體空間構架,那么就能為解析這些奧秘提供幫助,而且更重要的是,弄清楚如何能阻止這種情況的發(fā)展,或者減緩其作用”,任教授說。

 

任教授還曾在09年發(fā)表Nature文章,解析了組蛋白修飾對細胞分化命運的控制機制。先前他們用一種基于DNA-蛋白交聯基礎上的染色質免疫沉淀(ChIP-chip)技術定位了人類基因組上的啟動子,增強子和絕緣子(insulator)。之后研究者用相同的技術定位不同類型細胞的啟動子,增強子等,對這些調控子在細胞分化命運中所起的作用進行詳細分析。

 

他們最終在人類基因組上鑒定了55,000種潛在的轉錄增強子,這些研究結果大大的擴增了人類對增強子的了解,也豐富了增強子的內容,這些增強子等順式調控因子對細胞的分化命運具有重要的意義。

 


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