在人类染色体中，DNA被蛋白包裹，形成一条超长的串珠线。这条串珠线经折叠后形成许多环（loop），据信这些环有助于细胞控制基因表达和促进DNA修复，以及其他功能。在一项新的研究中，来自麻省理工学院、马克斯-普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所的研究人员发现，这些环是非常动态的，而且比以前认为的寿命更短。相关研究结果发表在2022年4月15日的Science期刊上，论文标题为“Sphingolipids control dermal fibroblast heterogeneity”。
在这项新的研究中，这些作者能够在大约两个小时的时间里监测活细胞中的一段基因组---Fbn2拓扑关联结构域（topologically associating domain, TAD）---的运动。他们观察到这段基因组只有3%到6%的时间是完全成环的（即形成环状结构），所形成的环只持续了大约10到30分钟。这些发现表明科学家们目前对DNA环如何影响基因表达的理解可能需要修正。
论文共同通讯作者、麻省理工学院生物工程职业发展助理教授Anders Sejr Hansen说，“该领域的许多模型都是这些调节这些过程的静态DNA环的图片。我们的新论文表明，这种说法其实并不正确。”
脱离DNA环
利用计算机模拟和实验数据，这些作者发现，基因组中的DNA环是由一种叫做挤压（extrusion）的过程形成的，在这种过程中，一种分子马达促进了逐渐变大的DNA环的产生。该分子马达每次遇到DNA上的“停止标志（stop sign）”时就会停止。挤压这些DNA环的分子马达是一种叫做黏连蛋白（cohesin）的蛋白复合物，而DNA结合蛋白CTCF则充当停止标志。在以前的实验中，人们已观察到了黏连蛋白介导的DNA环位于CTCF位点之间。
然而，这些实验只提供了一个瞬间的快照，没有关于DNA环如何随时间变化的信息。在这项的新研究中，这些作者开发了一些技术，使他们能够对CTCF DNA位点进行荧光标记，以便他们能够对DNA环进行数小时的成像。他们还开发出一种新的计算方法，可以从成像数据中推断出DNA成环事件。
论文共同通讯作者、马克斯-普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所小组负责人Christoph Zechner说，“这种方法对于我们区分实验数据中的信号和噪音以及定量确定DNA成环至关重要。我们相信，随着我们不断推动实验检测的极限，该方法对生物学将变得越来越重要。”
这些作者用他们的方法对小鼠胚胎干细胞中的一段基因组进行成像。论文共同第一作者、麻省理工学院研究生Simon Grosse-Holz说，“如果我们把我们的数据放在一个持续约12小时的细胞分裂周期的背景下，完全形成的DNA环实际上只存在约20至45分钟，仅占约3%至6%的时间。”
Hansen说，“如果DNA环只存在于细胞周期中如此短暂的时期，而且非常短暂，我们就不应该认为这种完全成环状态是基因表达的主要调节因素。我们认为我们需要新的模型来研究基因组的三维结构如何调节基因表达、DNA修复和其他功能性下游过程。”
三维基因组结构，图片来自Frontiers in Cell and Developmental Biology, 2021, doi:10.3389/fcell.2020.626541。
虽然完全形成的DNA环很少，但是这些作者发现，部分挤压的DNA环在大约92%的情况下都存在。这些较小的DNA环用以前检测基因组中DNA环的方法很难观察到。
论文共同第一作者、哈佛大学博士生Hugo Brandão说，“在这项研究中，通过将我们的实验数据与聚合物模拟相结合，我们如今能够定量确定未成环状态、部分挤压状态和完全成环状态的相对程度。”
论文共同第一作者、麻省理工学院博士后Michele Gabriele补充说，“由于这些相互作用非常短暂，但非常频繁，以前的方法无法完全捕捉它们的动态。通过我们的新技术，我们可以开始解决完全成环状态和未成环状态之间的转变。”
这些作者假设，这些部分成环的DNA片段可能在基因调控中比完全成环的DNA片段发挥更重要的作用。当DNA环开始形成，然后解体时，不同的DNA链就会沿着彼此运行，而且这些相互作用可能有助于诸如增强子和启动子之类的调节元件找到彼此。
论文共同通讯作者、麻省理工学院医学工程与科学研究所Leonid Mirny教授说，“在90%以上的时间里，会有一些短暂存在的DNA环，大概重要的是让这些DNA环一直遭受挤压。挤压过程本身可能比仅存在很短一段时间的完全成环状态更重要。”
更多的DNA环需要研究
由于基因组中的大多数其他DNA环都比这些研究在这篇论文中研究的DNA环要弱，他们猜测许多其他的DNA环也将被证明是高度瞬时的。他们如今计划使用他们的新技术在各种细胞类型中研究其中一些其他的DNA环。
Hansen说，“大约有一万种这样的DNA环，而我们已观察到其中的一种。我们有很多间接证据表明，这些结果将是可推广的，但我们还没有证实这一点。通过使用我们建立的将新实验方法和计算方法相结合的技术平台，我们可以开始研究基因组中的其他DNA环。”
这些作者还计划探究特定的DNA环在疾病中的作用。许多疾病，包括一种叫做FOXG1综合征的神经发育障碍，可能与DNA环动态变化的缺陷有关。他们如今正在研究基因组中的DNA环形成如何影响FOXG1基因的正常形式和突变形式以及致癌基因MYC。
参考资料：
1. Michele Gabriele et al. Dynamics of CTCF- and cohesin-mediated chromatin looping revealed by live-cell imaging. Science, 2022, doi:10.1126/science.abn6583.
2. Study finds genome loops don't last long in cells: Theories of how loops control gene expression may need to be revised
https://phys.org/news/2022-04-genome-loops-dont-cells-theories.html
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