空間構象揭示基因組的奧秘

　　基因組測序項目為人們提供了豐富的信息，讓人們可以解析基因表達的調控序列，研究不同基因序列對疾病的影響。不過除了基因組序列之外，還存在著一個關鍵元素，即基因組的空間構象。空間構象一直被視為基因表達的重要調控因素，在基因組中調控元件往往并不再目標基因附近，近年來科學家們開始借助新興技術研究遠距離染色體區域在核中的相互作用。

　　基因組空間構象對于基因調控很重要，而且染色體的其他行為也都涉及其三維構象，麻省大學醫學院的分子遺傳學家Job Dekker說。然而染色體構象改變的相應機制還仍然籠罩在迷霧中。

　　十年前，當人類基因組測序剛完成首個草圖時，Dekker開發了一種新技術，染色體構象俘獲C3，這種技術使人們能夠初探染色體在細胞核內的組織形式。 2009年，Dekker及其同事又利用高通量版的染色體構象俘獲技術(HiC)，發現了人類基因組中的扭曲形式“fractal globule”。

　　在過去三年中，Dekker等人進一步完善了染色體構象俘獲技術，使其可以更細致地描繪基因組的折疊，以便研究基因組折疊對基因表達和疾病的影響。

　　染色體內的“交流”

　　Dekker 2009年的發現，是建立基因組折疊模式的一大突破，但當時的分別率(約1百萬bp)還不足以讓科學家們真正了解基因與特定調控元件相互作用的機制。 Dekker說，熱呢每年還需要更多細節才能了解細胞染色體內的交流模式，哪些基因組區域需要相互交流，哪些區域不需要。

　　近來深度測序技術的進步，為研究人員提供了獲得足夠信息的途徑。例如，Dekker及其同事發現可以將染色體劃分為折疊域，該區域是megabase級的片段，其中基因和調控元件的聯系格外緊密。在折疊域中DNA形成環狀，使相聚較遠的基因和特定調控元件極為接近。加州大學圣迭戈分校的分子生物學家Bing Ren也在同期Nature雜志上發表了類似發現。

　　研究人員分別在小鼠、人類胚胎干細胞和人類成纖維細胞中發現了上述區域，Ren指出它們是“基因組的基本特性”。此外，研究顯示刪除折疊域的分界片段會使基因調控陷入混亂，原本沉默的基因開始表達，而原本表達的基因被沉默。這些都說明折疊域的結構完整是基因調控所必須的。

　　“我認為折疊域是過去10年中最基礎的遺傳學發現之一，” Dekker說。現在的問題是，這些折疊域如何形成，DNA成環又由什么決定。

　　染色體與癌癥

　　除了影響基因調控以外，染色體折疊也在癌癥發展中具有重要作用。體細胞拷貝數變異SCNA或基因刪除/擴增，都是癌細胞基因組不穩定性的標志。與 Dekker合作于2009年發現“fractal globules” 的麻省理工Leonid Mirny實驗室，發現基因組成環是特定SCNA形成的原因。Mirny及其同事將SCNA譜與人類癌細胞基因組的3D構象相比較，發現DNA環末端的基因組區域相當于邊界，而中部片段的刪除或擴增就會形成SCNA。

　　染色體易位也是特定癌癥的標志，也很可能是通過染色體的空間構象形成的。例如Burkitt’s淋巴瘤中Myc與免疫球蛋白基因間的易位，以及慢性髓細胞白血病中的Bcr-Abl易位。Mirny的研究團隊發現，這兩種染色體易位時斷點位置彼此靠近，尤其是在可能形成腫瘤的細胞中。

　　組織特異性的易位可能源自基因組空間構象在不同類型細胞中的微妙差異。“我們推測，在不同類型的組織中存在著特異性的基因組空間構象，有待我們進一步發掘，” Mirny說。例如，細胞類型和環境因子不同，折疊域也會隨之改變。“如果證實折疊域邊界靈活可變的，而且可以依據細胞類型而改變，那么這就是基因調控的一種新元件，” Dekker說。

　　染色體折疊可以幫助人們更好的了解癌癥，也可以幫助人們對癌癥進行預測。隨著正常細胞轉變為腫瘤細胞，基因也會以特定方式改變其空間構象，NIH旗下國家癌癥研究所的細胞生物學家Tom Misteli說，他目前正在基因組3D構象的基礎上開發診斷癌癥的工具。他的研究團隊發現，當細胞轉變為乳腺癌細胞時，特定基因的位置會發生顯著改變。研究人員可以通過檢測患者的組織切片，高精度定位基因，以此診斷是否發生癌變。