| 基因折紙有乾坤 |
| DNA研究向3D時(shí)代邁進(jìn) |
圖片來(lái)源：《科學(xué)》
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(kāi)始意識到，通過(guò)成環(huán)和折疊形成的復雜模式能幫助人體基因組轉變?yōu)橐恍┯幸饬x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(dòng)的DNA片段保持密切聯(lián)系，激活產(chǎn)生骨頭、肌肉或腦細胞的基因表達，亦或刺激癌癥的發(fā)生。
該想法的精妙和潛力令眾多生物學(xué)家神魂顛倒，但他們仍在努力獲取足夠好的數據來(lái)確切地理解這些錯綜復雜的模式。去年12月，一項發(fā)表于《細胞》雜志網(wǎng)絡(luò )版的報告，揭示了迄今為止關(guān)于被塞入細胞核的兩米長(cháng)的DNA，也就是所謂的核小體是如何折疊的最精細圖譜?！耙豁椌哂欣锍瘫饬x的研究?！睂Υ?，美國國立衛生研究院（NIH）院長(cháng)Francis Collins在一篇博客文章中評價(jià)道。
不過(guò)，4天后，一篇發(fā)表于《基因與發(fā)育》雜志的文章報道稱(chēng)，不同的DNA圖譜制作技術(shù)有時(shí)會(huì )產(chǎn)生截然不同的模式，從而帶來(lái)關(guān)于這些圖譜到底顯示的是什么的疑問(wèn)。如今，通過(guò)一個(gè)NIH最新資助的、被稱(chēng)為4D核小體的項目，研究人員將開(kāi)發(fā)出更加可靠、精確且經(jīng)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(xué)醫學(xué)院生物學(xué)家Job Dekker表示。
在過(guò)去的20年里，Dekker、來(lái)自得克薩斯州貝勒醫學(xué)院的Erez Lieberman Aiden和其他人已經(jīng)利用諸如染色體構象捕獲等技術(shù)研究了三維狀態(tài)下的基因組。研究人員能夠通過(guò)化學(xué)手段“凍結”DNA鏈上不同片段相互聯(lián)系的任何位置。隨后，他們將所有DNA剪切，并將相互聯(lián)系的DNA黏在一起?；趦蓚€(gè)區域聯(lián)系的次數多少，研究人員便可估算出三維狀態(tài)下這兩個(gè)區域相隔多遠。
起初，研究人員能夠一次性觀(guān)察一個(gè)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(chēng)為Hi-C的測序技術(shù)揭示了一個(gè)基因組中每個(gè)DNA片段是如何同所有其他片段相互作用的。當時(shí)，來(lái)自貝勒醫學(xué)院的Suhas Rao和哈佛大學(xué)研究生Miriam Huntley都在A(yíng)iden的實(shí)驗室作研究。他們和同事通過(guò)弄清楚如何處理還在細胞核中的DNA然后改進(jìn)分析技術(shù)，將分辨率從大于一個(gè)基因的100萬(wàn)個(gè)堿基縮小到小于一個(gè)基因的1000個(gè)堿基。
這項發(fā)表于《細胞》雜志、花費300萬(wàn)美元的實(shí)驗產(chǎn)生了超過(guò)5萬(wàn)億個(gè)經(jīng)過(guò)測序的堿基，并且分析了來(lái)自8個(gè)細胞系的幾百萬(wàn)個(gè)人類(lèi)細胞以及一個(gè)老鼠細胞系的細胞。數據揭示了1萬(wàn)個(gè)環(huán)和擁有相似化學(xué)修飾和基因活動(dòng)水平的DNA聚集在一起的6個(gè)區域。一些結構對于所有被測試的細胞類(lèi)型來(lái)說(shuō)都很常見(jiàn)，但有些對每種細胞來(lái)說(shuō)都是獨一無(wú)二的?！斑@開(kāi)辟了一種看待生物學(xué)的新方式?！钡弥荽髮W(xué)分子生物學(xué)家Vishy Iyer表示。
不過(guò)，正如《基因與發(fā)育》雜志上那篇論文所展示的，這里面也有一個(gè)難題：基于對DNA直接觀(guān)察而非計算機建模的不同核小體圖譜制作技術(shù)能產(chǎn)生相互沖突的結果。來(lái)自英國愛(ài)丁堡大學(xué)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(gè)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(guān)察了老鼠2號染色體上一個(gè)擁有100萬(wàn)堿基長(cháng)度的區域，其包含一組在發(fā)育中起關(guān)鍵作用的Hox同源框蛋白基因。為了對照，他們利用和Hi-C類(lèi)似的計算技術(shù)分析了相同的DNA區域。對于Hox基因簇的某些部分，兩種技術(shù)有時(shí)得出的結果是一致的。但在有些情況下，一種會(huì )顯示DNA是伸直的，而另一種顯示DNA相互糾纏形成一個(gè)緊湊的球?！拔覀儾恢罏楹螘?huì )這樣，也不知道哪種方法是正確的?！钡聡亓轴t學(xué)系統生物學(xué)研究所細胞生物學(xué)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?！?/p>
Aiden介紹說(shuō)，其實(shí)驗室利用Hi-C技術(shù)得到的最新結果同顯微鏡下的發(fā)現一致。不過(guò)，“我們也不會(huì )自欺欺人，認為Hi-C數據就是終極目的”?！澳銜?huì )想開(kāi)展很多種試驗，無(wú)論它們能相互印證還是相互矛盾?！盇iden表示。
NIH開(kāi)展4D核小體項目的目的便在于此。2014年，NIH宣布了這個(gè)為期5年、每年耗資2400萬(wàn)美元的項目。其將改善現有技術(shù)，而且有望提出一些新技術(shù)。之所以被稱(chēng)為4D，是因為核小體的結構隨著(zhù)細胞老化、分化及分裂而發(fā)生改變。研究人員希望弄清楚其中的方式和原因?！澳繕耸亲屵@些技術(shù)廣泛普及?！蔽挥隈R里蘭州的國立關(guān)節炎及肌肉骨骼和皮膚病研究所分子生物學(xué)家Rafael Casellas表示。Dekker也認為，研究人員強烈需要這些技術(shù)。正如折紙只有被折疊起來(lái)才會(huì )有生命力，“我們的基因組中沒(méi)有任何東西是有意義的，除了在三維狀態(tài)下?！盌ekker說(shuō)。（宗華）
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