研究人员以前所未有的分辨率捕捉到基因如何折叠和工作

一种新的成像技术以前所未有的分辨率捕捉了人类基因组的结构，揭示了单个基因在核小体水平上是如何折叠的——核小体是构成基因组三维结构的基本单元。这是迄今为止创造的研究基因形状的最全面的方法。因为几乎每一种人类疾病都有基因的基础，了解它们是如何工作的可以使我们更深入地了解它们是如何影响人体健康和疾病的。这项技术还可以用来测试改变异常基因形状的药物，帮助发现针对不同类型疾病的新疗法。

　　

   

   

图:对比使用常规显微镜(左)可视化NANOG基因的结构，它显示为一个明亮的绿色点，与使用可以成像单个基因的MiOS(右)。MiOS的分辨率大约是传统方法的十倍，而且还详细描述了结构的关键方面。    

资料来源:Vicky Neguembor/CRG和Pablo Dans/IRB Barcelona

一种新的成像技术以前所未有的分辨率捕捉了人类基因组的结构，揭示了单个基因在核小体水平上是如何折叠的——核小体是构成基因组三维结构的基本单元。

该技术由位于巴塞罗那的基因组调控中心(CRG)和生物医学研究所(IRB Barcelona)的研究人员开发，结合了高分辨率显微镜和先进的计算建模。这是迄今为止创造的研究基因形状的最全面的方法。

研究人员可以使用这项新技术创建并虚拟导航基因的三维模型，不仅可以可视化它们的结构，还可以提供它们如何移动或它们有多灵活的细节。因为几乎每一种人类疾病都有基因的基础，了解它们是如何工作的可以使我们更深入地了解它们是如何影响人体健康和疾病的。

最终，科学家可以利用这些信息来预测基因出现问题时会发生什么，例如，通过对导致疾病的基因形状的变化进行分类。这项技术还可以用来测试改变异常基因形状的药物，帮助发现针对不同类型疾病的新疗法。

这项技术是用于研究生物体的成像技术的下一个发展，该技术最早始于400多年前显微镜的发明。这些在促进医学和人类健康方面发挥了至关重要的作用，例如罗伯特·胡克第一次用它来描述细胞，后来圣地亚哥Ramón y Cajal用它来识别神经元。尽管光学显微镜取得了巨大的进步，但它的局限性早在1873年就很明显了，当时研究人员规定光学显微镜的最大分辨率不能超过0.2微米。

这一生理极限在21世纪被克服了^圣超分辨率显微镜的发明，这一突破获得了2014年的诺贝尔化学奖。利用荧光，研究人员扩展了光学显微镜的极限，捕捉到了20纳米的事件，这一壮举揭示了生命在前所未有的分子尺度上是如何运作的。

超分辨率显微镜改变了生物医学研究的进程，使科学家能够跟踪各种疾病中的蛋白质。它还使研究人员能够研究调控基因表达的分子事件。科学家们现在希望在这项技术的基础上进一步增加更多的信息层。

研究人员假设，采用超分辨率显微镜并将其与先进的计算工具相结合，可能是研究基因形状和功能所需的细节水平成像基因的一种方法。一个跨学科的科学家团队分享了他们的专业知识，创造了一种名为免疫建模- oligostorm(简称MiOS)的新技术。

这两个研究小组是巴塞罗那科技学院(BIST) Ignite Call的一部分，该项目旨在促进不同科学领域之间的知识交流，并探索解决复杂问题的新方法。

“我们的计算建模策略整合了来自DNA测序技术和超分辨率显微镜的数据，以超出核小体大小的分辨率提供了基因3D形状的基本图片(或电影)，达到了详细了解染色质和其他细胞因子之间相互作用所需的尺度，”Juan Pablo Arcon博士说，他是该工作的共同第一作者和巴塞罗那IRB的博士后研究员。

作为概念的证明，研究团队使用MiOS对关键的家务管理和多能性基因的位置、形状和压缩提供了新的见解，揭示了仅用传统技术无法捕捉到的新结构和细节。研究结果发表在《自然结构与分子生物学》．

“我们表明，MiOS提供了前所未有的细节，帮助研究人员虚拟导航基因内部，揭示了它们是如何在一个全新的规模上组织的。这就像从哈勃太空望远镜升级到詹姆斯·韦伯，但我们将探索的不是遥远的恒星，而是人类细胞核内最深处，”该研究的共同第一作者和共同通信作者、CRG的研究员Vicky Neguembor博士说。

尽管许多基于基因组的研究已经改变了我们诊断、治疗或预防疾病的方式，但MiOS的影响更为长期。通过揭示基因是如何在纳米尺度上工作以及它们是如何被调节的，这项技术将使科学实验室中的新发现成为可能，其中一些可能最终转化为临床实践。

该研究团队已经通过探索对人类发展很重要的基因来利用MiOS。该团队还将继续进一步开发MiOS，增加额外的功能，例如可以检测转录因子(参与DNA转化或转录成RNA过程的蛋白质)如何与DNA结合。

文章标题

MiOS, an integrated imaging and computational strategy to model gene folding with nucleosome resolution