Nature测序新方法解密DNA调控机制

【字体: 时间:2012年04月12日 来源:生物通

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  来自Ludwig癌症研究所,加州大学圣地亚哥分校等处的研究人员发表了题为“Topological domains in mammalian genomes identified by analysis of chromatin interactions”的文章,利用一种强有力的DNA测序方法,分析了细胞核染色体中的DNA三维结构,这将有助于科学家们更深入的了解DNA折叠的基础机理,以及其在基因调控中的作用。

  

生物通报道:人类具有23对染色体,指导机体发育,这些染色体中的DNA包含了所有生物机体蓝图,虽然科学家们已逐步了解了DNA的一维平面结构,但是至今关于这些DNA的不同部分在细胞核中如何折叠,相互作用的还并不清楚。

来自Ludwig癌症研究所,加州大学圣地亚哥分校等处的研究人员发表了题为“Topological domains in mammalian genomes identified by analysis of chromatin interactions”的文章,利用一种强有力的DNA测序方法,分析了细胞核染色体中的DNA三维结构,这将有助于科学家们更深入的了解DNA折叠的基础机理,以及其在基因调控中的作用。

文章的通讯作者是Ludwig癌症研究所Bing Ren(任兵,生物通译)教授,任教授1991年从中国科技大获得学士学位,之后赴美在哈佛大学获得计算机专业硕士学位,1998年获得哈佛大学生化学博士学位,在白头研究所做博士后研究,2001年加入Ludwig 癌症研究所,之后进入加州大学圣地亚哥分校。

他表示,“无论是哪种生物教科书,我们看到的有关基因如何编码的图表,都是一维平面的。事实上,基因的两个部分也许在线性上距离远,但在立体中却靠得很近”,“随着深入了解DNA如何在细胞核内折叠的,现在我们能构建一张基因调控流程更完整的图像”。空间构造与功能密切相关。

研究人员采用了一种以测序为基础的方法:Hi-C,利用这种方法,他们检测了染色体的三维结构,“我们采用这种方法,能构建两个染色体的相互作用图谱,从而推断DNA折叠的模式。现在我们知道,这些DNA能折叠成许多称为拓扑结构域的结构域,这平均包含一百万碱基。通过比对,整个人类基因组大约是三十亿碱基对”,文章的第一作者,任教授实验室Jesse Dixon表示。

Hi-C是一种3C衍生技术,基于交联DNA与生物素linker的邻近连接,能够拉下(pull down)片段,接着进行高通量测序。之前曾从800万个读取对中产生基因组范围的接触模型,分辨率在1MB。

研究组分析了这个相互作用图谱,发现拓扑结构域是折叠的基础单元,之后他们又通过在不同细胞类型中比对分析,确认了这一研究结论。在每种细胞类型中,DNA折叠成的拓扑结构域是固定的。

同时来自麻省医学院的研究人员进行的另外一个平行实验也支持了上述结论,他们主要聚焦于小鼠胚胎干细胞中X染色体上的区域,以及神经细胞,成纤维细胞。研究人员发现这一区域的折叠模式与任教授研究组发现的相似。这进一步表明了这种组织方式与基因调控有关。

“这还只是这一令人激动的研究领域的一个开端——从三维的角度理解细胞核进程。我们知道,一些癌症,包括多种白血病都是由于两种基因易位引发的,目前还不清楚这种易位是如何发生的,以及其是否是由偶然事件引发的。如果能了解染色体空间构架,那么就能为解析这些奥秘提供帮助,而且更重要的是,弄清楚如何能阻止这种情况的发展,或者减缓其作用”,任教授说。

任教授还曾在09年发表Nature文章,解析了组蛋白修饰对细胞分化命运的控制机制。先前他们用一种基于DNA-蛋白交联基础上的染色质免疫沉淀(ChIP-chip)技术定位了人类基因组上的启动子,增强子和绝缘子(insulator)。之后研究者用相同的技术定位不同类型细胞的启动子,增强子等,对这些调控子在细胞分化命运中所起的作用进行详细分析。

他们最终在人类基因组上鉴定了55,000种潜在的转录增强子,这些研究结果大大的扩增了人类对增强子的了解,也丰富了增强子的内容,这些增强子等顺式调控因子对细胞的分化命运具有重要的意义

(生物通:张迪)

原文摘要:

Topological domains in mammalian genomes identified by analysis of chromatin interactions

The spatial organization of the genome is intimately linked to its biological function, yet our understanding of higher order genomic structure is coarse, fragmented and incomplete. In the nucleus of eukaryotic cells, interphase chromosomes occupy distinct chromosome territories, and numerous models have been proposed for how chromosomes fold within chromosome territories1. These models, however, provide only few mechanistic details about the relationship between higher order chromatin structure and genome function. Recent advances in genomic technologies have led to rapid advances in the study of three-dimensional genome organization. In particular, Hi-C has been introduced as a method for identifying higher order chromatin interactions genome wide2. Here we investigate the three-dimensional organization of the human and mouse genomes in embryonic stem cells and terminally differentiated cell types at unprecedented resolution. We identify large, megabase-sized local chromatin interaction domains, which we term ‘topological domains’, as a pervasive structural feature of the genome organization. These domains correlate with regions of the genome that constrain the spread of heterochromatin. The domains are stable across different cell types and highly conserved across species, indicating that topological domains are an inherent property of mammalian genomes. Finally, we find that the boundaries of topological domains are enriched for the insulator binding protein CTCF, housekeeping genes, transfer RNAs and short interspersed element (SINE) retrotransposons, indicating that these factors may have a role in establishing the topological domain structure of the genome.

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