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2米長的DNA如何裝進直徑只有10微米的細胞核？我們體內幾乎所有的細胞都完美解決了這個儲存難題，無數(shù)科學家也對此表現(xiàn)出濃厚的科研興趣。研究發(fā)現(xiàn)，在細胞核中DNA以一種非隨機的方式進行DNA折疊，這種模式影響著許多基因組功能，包括調節(jié)大約20,000多個基因的表達。

近日，英國牛津大學拉德克利夫醫(yī)學研究所Doug R. Higgs和James O. J. Davies領導的研究團隊在Nature上發(fā)表了題為“Defining genome architecture at base-pair resolution”的文章。研究團隊開發(fā)了一種監(jiān)測基因組3D結構的方法，能在DNA單堿基對水平上精準定位基因組內的DNA互作，為基因表達、調控的研究提供了新思路，也為未來的基因組3D研究開辟了無限可能。

人類以及其他多種生物已經(jīng)進化出精準調控基因表達的復雜機制?？刂苹虮磉_的核心是DNA的短調控序列，即增強子。增強子在人體基因組中非常豐富，多達81萬個。增強子與轉錄因子相結合，轉錄因子繼而通過識別6-12個堿基對的DNA短基序（motif）來調控基因表達。但有的增強子距調控基因有很長的一段距離，這些增強子如何調控基因表達成為一個非常有趣且重要的研究課題。目前獲得廣泛認可的觀點是，通過DNA折疊的特定模式拉進增強子和調控基因的空間距離，使得轉錄因子能夠刺激基因表達。

染色體構象捕獲（3C，chromosome conformation capture）技術徹底改變了基因組3D結構的研究，研究人員可借助3C技術推斷不同DNA區(qū)域之間相互作用頻率，并發(fā)現(xiàn)增強子-基因的相互作用優(yōu)先發(fā)生在細胞核內拓撲結構域（TADs）內。TAD被認為通過拉進基因和增強子的距離來解決基因邊界問題，從而提高增強子和基因匹配的概率。但到目前為止，3C技術還無法在堿基對水平上確定基因和增強子之間的物理接觸。為解決這個難題，James O. J. Davies等人開發(fā)了一種微捕獲C（Micro-Capture-C，MCC）技術，提高了基因與增強子互作的監(jiān)測分辨率。

圖1.基因組折疊的環(huán)擠壓過程，圖片來源：Nature

研究人員通過對已有的3C技術進行關鍵性的技術改進，顯著提高了DNA互作的識別分辨率。據(jù)文章介紹，MCC技術使用MNase（micrococcal nuclease）核酸酶作為DNA分子剪刀，可實現(xiàn)隨機片段化DNA且不依賴于DNA識別序列，產(chǎn)生的DNA片段比序列特異性核酸酶產(chǎn)生的片段短，因此分辨率也得以有效提高。結果表明，MNase基本沒有堿基偏好性，相比于壓縮緊實的DNA，MNase僅對壓縮略松的DNA（該片段有正在表達的基因）表現(xiàn)出輕微的剪切偏好性。

圖2. DNA環(huán)擠壓導致CSR（class-switch recombination）基因重排，圖片來源：Nature

研究發(fā)現(xiàn)，MCC產(chǎn)生的互作DNA連接區(qū)DNA片段較短并且可以確定片段的完整序列，意味著捕獲的基因位點確切位置也是已知的。因此，MCC可以使堿基對落在DNA互作連接處，實現(xiàn)DNA表達調控的精準監(jiān)測，實現(xiàn)染色質捕獲的質的飛躍。此外，DNA蛋白結合位點受到保護不會被MNase剪切，所以該MCC技術還可以檢測到DNA結合蛋白的“足跡”。

研究團隊將MCC技術應用于胚胎干細胞和小鼠前體紅細胞進行三維基因組折疊研究。值得注意的是，增強子、基因和CTCF結合位點之間的互作區(qū)域呈現(xiàn)為高度局部化的尖峰信號，與3C呈現(xiàn)的廣泛互作信號有本質化的區(qū)別。與既往結果一致，基因間的離散互作基本發(fā)生在TADs中（大約87%的時間）。MCC分析結果證實，精準互作多與細胞特異性表達相關，細胞特異性與轉錄因子的結合有關。若增強子-基因互作區(qū)域中心的轉錄因子結合位點發(fā)生突變，MCC技術的檢測信號會出現(xiàn)局部丟失現(xiàn)象，同時檢測到基因表達下調。以上結果提示，轉錄因子有助于維持高度特異的三維基因組折疊模式，這些模式參與了轉錄控制過程。

不同類型細胞中的CTCF結合位點在基因組上的位置基本相同。研究人員發(fā)現(xiàn)，當DNA中間區(qū)域有較多活躍轉錄基因和增強子時，CTCF與DNA結合位點的接觸機會增加。此外，研究發(fā)現(xiàn)cohesin和一種名為Nipbl的蛋白質（可將cohesin裝載到DNA上）在活性基因及增強子處更容易富集。這些數(shù)據(jù)支持了理論模型：當細胞特異性的cohesin加載到活性基因和增強子上時，DNA環(huán)擠壓向非細胞特異的CTCF“路障”位點移動。這一理論與既往研究非常吻合，即cohesin有助于增強子-基因間的相互作用。

圖3. cohesin對于基因TAD結構的重要性，圖片來源：Nature

MCC方法將已有技術整合為該領域長期以來翹首以待的技術：一種可以精確確定具體哪些DNA堿基在介導基因組遠距離互作的技術方法。這一改進使我們能夠對基因調控過程進行高分辨率的解析，包括多個基因和調控元件的復雜基因組區(qū)域，以及近距離（少于20kb的DNA）增強子-基因間的互作。此外，對于調控蛋白如何建立和維持3D基因組結構的研究，高堿基對分辨率的MCC也將成為一種強有力的工具性技術。