DNA研究向3D時代邁進

來源：生物谷作者：人氣：-發表時間：2015-01-13 09:18:00【大中小】

對于DNA的比喻在不斷增加。它是一串代碼、一段螺旋梯，而如今又變成近似折紙的東西。正如將一張平整的紙折疊，能將其變成一只鶴或一朵荷花，研究人員開始意識到，通過成環和折疊形成的復雜模式能幫助人體基因組轉變為一些有意義的東西。這種彎曲和旋轉可讓特定基因同那些距離遙遠但調控這些基因活動的 DNA片段保持密切聯系，激活產生骨頭、肌肉或腦細胞的基因表達，亦或刺激癌癥的發生。

該想法的精妙和潛力令眾多生物學家神魂顛倒，但他們仍在努力獲取足夠好的數據來確切地理解這些錯綜復雜的模式。去年12月，一項發表于《細胞》雜志網絡版的報告，揭示了迄今為止關于被塞入細胞核的兩米長的DNA，也就是所謂的核小體是如何折疊的最精細圖譜。“一項具有里程碑意義的研究。”對此，美國國立衛生研究院（NIH）院長Francis Collins在一篇博客文章中評價道。

不過，4天后，一篇發表于《基因與發育》雜志的文章報道稱，不同的DNA圖譜制作技術有時會產生截然不同的模式，從而帶來關于這些圖譜到底顯示的是什么的疑問。如今，通過一個NIH最新資助的、被稱為4D核小體的項目，研究人員將開發出更加可靠、精確且經濟的方式繪制并詮釋基因組的精細折疊圖。該項目“正邀請人們提出不同和更好的想法”，馬薩諸塞大學醫學院生物學家Job Dekker表示。

在過去的20年里，Dekker、來自得克薩斯州貝勒醫學院的Erez Lieberman Aiden和其他人已經利用諸如染色體構象捕獲等技術研究了三維狀態下的基因組。研究人員能夠通過化學手段“凍結”DNA鏈上不同片段相互聯系的任何位置。隨后，他們將所有DNA剪切，并將相互聯系的DNA黏在一起。基于兩個區域聯系的次數多少，研究人員便可估算出三維狀態下這兩個區域相隔多遠。

起初，研究人員能夠一次性觀察一個基因及其搭檔，但很快更加復雜的方法出現了。2009年，一項被稱為Hi-C的測序技術揭示了一個基因組中每個DNA片段是如何同所有其他片段相互作用的。當時，來自貝勒醫學院的Suhas Rao和哈佛大學研究生Miriam Huntley都在Aiden的實驗室作研究。他們和同事通過弄清楚如何處理還在細胞核中的DNA然后改進分析技術，將分辨率從大于一個基因的100萬個堿基縮小到小于一個基因的1000個堿基。

這項發表于《細胞》雜志、花費300萬美元的實驗產生了超過5萬億個經過測序的堿基，并且分析了來自8個細胞系的幾百萬個人類細胞以及一個老鼠細胞系的細胞。數據揭示了1萬個環和擁有相似化學修飾和基因活動水平的DNA聚集在一起的6個區域。一些結構對于所有被測試的細胞類型來說都很常見，但有些對每種細胞來說都是獨一無二的。“這開辟了一種看待生物學的新方式。”得州大學分子生物學家Vishy Iyer表示。

不過，正如《基因與發育》雜志上那篇論文所展示的，這里面也有一個難題：基于對DNA直接觀察而非計算機建模的不同核小體圖譜制作技術能產生相互沖突的結果。來自英國愛丁堡大學的Iain Williamson、Wendy Bickmore及其同事將熒光標記應用到各種DNA片段中，在每個片段用上不同的熒光探針，使他們能很容易分辨出互相靠近的片段。研究人員觀察了老鼠2號染色體上一個擁有100萬堿基長度的區域，其包含一組在發育中起關鍵作用的Hox同源框蛋白基因。為了對照，他們利用和Hi-C類似的計算技術分析了相同的DNA區域。對于Hox基因簇的某些部分，兩種技術有時得出的結果是一致的。但在有些情況下，一種會顯示DNA是伸直的，而另一種顯示DNA相互糾纏形成一個緊湊的球。“我們不知道為何會這樣，也不知道哪種方法是正確的。”德國柏林醫學系統生物學研究所細胞生物學家Ana Pombo表示，“我們需要仔細研究這些方法正在告訴我們什么。”

Aiden介紹說，其實驗室利用Hi-C技術得到的最新結果同顯微鏡下的發現一致。不過，“我們也不會自欺欺人，認為Hi-C數據就是終極目的”。“你會想開展很多種試驗，無論它們能相互印證還是相互矛盾。”Aiden表示。

NIH開展4D核小體項目的目的便在于此。2014年，NIH宣布了這個為期5年、每年耗資2400萬美元的項目。其將改善現有技術，而且有望提出一些新技術。之所以被稱為4D，是因為核小體的結構隨著細胞老化、分化及分裂而發生改變。研究人員希望弄清楚其中的方式和原因。“目標是讓這些技術廣泛普及。”位于馬里蘭州的國立關節炎及肌肉骨骼和皮膚病研究所分子生物學家Rafael Casellas表示。Dekker也認為，研究人員強烈需要這些技術。正如折紙只有被折疊起來才會有生命力，“我們的基因組中沒有任何東西是有意義的，除了在三維狀態下。”Dekker說。