空间构象揭示基因组的奥秘

基因组测序项目为人们提供了丰富的序列信息，其实除此之外基因组的空间构象也是一个关键元素。空间构象一直被视为基因表达的重要调控因素，在基因组中调控元件往往并不在目标基因附近，近年来科学家们开始借助新兴技术研究远距离染色体区域在核中的相互作用。

　　

生物通报道：基因组测序项目为人们提供了丰富的信息，让人们可以解析基因表达的调控序列，研究不同基因序列对疾病的影响。不过除了基因组序列之外，还存在着一个关键元素，即基因组的空间构象。空间构象一直被视为基因表达的重要调控因素，在基因组中调控元件往往并不再目标基因附近，近年来科学家们开始借助新兴技术研究远距离染色体区域在核中的相互作用。

基因组空间构象对于基因调控很重要，而且染色体的其他行为也都涉及其三维构象，麻省大学医学院的分子遗传学家Job Dekker说。然而染色体构象改变的相应机制还仍然笼罩在迷雾中。

十年前，当人类基因组测序刚完成首个草图时，Dekker开发了一种新技术，染色体构象俘获C3，这种技术使人们能够初探染色体在细胞核内的组织形式。2009年，Dekker及其同事又利用高通量版的染色体构象俘获技术（HiC），发现了人类基因组中的扭曲形式“fractal globule”。

在过去三年中，Dekker等人进一步完善了染色体构象俘获技术，使其可以更细致地描绘基因组的折叠，以便研究基因组折叠对基因表达和疾病的影响。

染色体内的“交流”

Dekker 2009年的发现，是建立基因组折叠模式的一大突破，但当时的分别率（约1百万bp）还不足以让科学家们真正了解基因与特定调控元件相互作用的机制。Dekker说，热呢每年还需要更多细节才能了解细胞染色体内的交流模式，哪些基因组区域需要相互交流，哪些区域不需要。

近来深度测序技术的进步，为研究人员提供了获得足够信息的途径。例如，Dekker及其同事发现可以将染色体划分为折叠域，该区域是megabase级的片段，其中基因和调控元件的联系格外紧密。在折叠域中DNA形成环状，使相聚较远的基因和特定调控元件极为接近。加州大学圣迭戈分校的分子生物学家Bing Ren也在同期Nature杂志上发表了类似发现。

研究人员分别在小鼠、人类胚胎干细胞和人类成纤维细胞中发现了上述区域，Ren指出它们是“基因组的基本特性”。此外，研究显示删除折叠域的分界片段会使基因调控陷入混乱，原本沉默的基因开始表达，而原本表达的基因被沉默。这些都说明折叠域的结构完整是基因调控所必须的。

“我认为折叠域是过去10年中最基础的遗传学发现之一，” Dekker说。现在的问题是，这些折叠域如何形成，DNA成环又由什么决定。

染色体与癌症

除了影响基因调控以外，染色体折叠也在癌症发展中具有重要作用。体细胞拷贝数变异SCNA或基因删除/扩增，都是癌细胞基因组不稳定性的标志。与Dekker合作于2009年发现“fractal globules” 的麻省理工Leonid Mirny实验室，发现基因组成环是特定SCNA形成的原因。Mirny及其同事将SCNA谱与人类癌细胞基因组的3D构象相比较，发现DNA环末端的基因组区域相当于边界，而中部片段的删除或扩增就会形成SCNA。

染色体易位也是特定癌症的标志，也很可能是通过染色体的空间构象形成的。例如Burkitt’s淋巴瘤中Myc与免疫球蛋白基因间的易位，以及慢性髓细胞白血病中的Bcr-Abl易位。Mirny的研究团队发现，这两种染色体易位时断点位置彼此靠近，尤其是在可能形成肿瘤的细胞中。

组织特异性的易位可能源自基因组空间构象在不同类型细胞中的微妙差异。“我们推测，在不同类型的组织中存在着特异性的基因组空间构象，有待我们进一步发掘，” Mirny说。例如，细胞类型和环境因子不同，折叠域也会随之改变。“如果证实折叠域边界灵活可变的，而且可以依据细胞类型而改变，那么这就是基因调控的一种新元件，” Dekker说。

染色体折叠可以帮助人们更好的了解癌症，也可以帮助人们对癌症进行预测。随着正常细胞转变为肿瘤细胞，基因也会以特定方式改变其空间构象，NIH旗下国家癌症研究所的细胞生物学家Tom Misteli说，他目前正在基因组3D构象的基础上开发诊断癌症的工具。他的研究团队发现，当细胞转变为乳腺癌细胞时，特定基因的位置会发生显著改变。研究人员可以通过检测患者的组织切片，高精度定位基因，以此诊断是否发生癌变。

（生物通编辑：叶予）

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Sabrina Richards

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