在人類染色體中，DNA被蛋白質包裹進而形成一條極長的珠狀線。這條“線”被折疊成多個環路，這被認為有助於細胞控制基因表達和促進DNA修復及其他功能。根據麻省理工學院(MIT)的一項新研究，這些環路比以前認為的更有活力但壽命更短。

在最新的研究中，研究人員跟踪了一個活細胞中的一段基因組的運動，時間約為兩個小時。他們發現，這段基因組只有3-6%的時間是完全環路的，環路則只持續了10-30分鐘左右。據研究人員介紹稱，這些發現表明，科學家們目前對環路如何調節基因表達的理解可能需要改變。

“該領域的許多模型都是這些靜態環路調節這些過程的圖片。我們的新論文所顯示的是，這幅圖景並不真正準確，”MIT Underwood-Prescott職業發展助理教授Anders Sejr Hansen表示，“我們建議，這些領域的功能狀態要動態得多。”

Hansen是這項新研究的資深作者之一，同時還有MIT醫學工程與科學研究所和物理系的教授Leonid Mirny及德國德累斯頓馬克斯-普朗克分子細胞生物學與遺傳學研究所和德累斯頓系統生物學中心的小組負責人Christoph Zechner。MIT博士後Michele Gabriele、最近的哈佛大學博士學位獲得者Hugo Brandão及MIT研究生Simon Grosse-Holz則都是這一研究論文的第一作者。論文則於當地時間4月14日發表在《科學》上。

脫離環路

通過利用計算機模擬和實驗數據，包括MIT的Mirny小組在內的科學家們自出，基因組中的環路是由一個叫做擠壓的過程形成的。在這個過程中，一個分子馬達會促進逐漸變大的環路的生長。馬達每次在遇到DNA上的“停止標誌”時就會停止。擠壓這種環路的馬達是一種叫做協同蛋白的蛋白質複合物，而跟DNA結合的蛋白質CTCF則充當停止信號。在以往的實驗中，我們看到了CTCF位點之間由協同蛋白介導的這些環路。

然而這些實驗只提供了一個瞬間的快照，其沒有關於環路如何隨時間變化的信息。在新研究中，研究人員開發了一些技術，這使他們能對CTCF DNA位點進行熒光標記，以便他們能對DNA環路進行數小時的成像。另外，他們還創造了一種新的計算方法從而可以從成像數據中推斷出環路事件。

Zechner說道：“這種方法對於我們區分實驗數據中的信號和噪音及量化環路至關重要。我們相信，隨著我們繼續用實驗推動檢測的極限，這種方法對生物學將變得越來越重要。”

研究人員用他們的方法對小鼠胚胎幹細胞中的一段基因組進行成像。“如果我們把我們的數據放在一個細胞分裂週期的背景下，這個週期持續約12小時，完全形成的環路實際上只存在了約20至45分鐘（約3%至6%的時間），”Grosse-Holz說道。

“如果環路只存在於細胞週期中如此微小的時期且非常短暫，我們就不應該認為這種完全環路的狀態是基因表達的主要調節器。我們認為我們需要新的模型來研究基因組的三維結構如何調節基因表達、DNA修復和其他功能性下游過程，”Hansen說道。

雖然完全形成的環狀物非常少，但研究人員發現，部分擠壓的環狀物在約92%的情況下都存在。這些較小的環路用以前檢測基因組中環路的方法很難觀察到。

Brandão表示：“在這項研究中，通過將我們的實驗數據跟聚合物模擬相結合，我們現在已經能量化未環形、部分擠壓和完全環形狀態的相對程度。”

Gabriele則補充道：“由於這些相互作用非常短但非常頻繁，所以以前的方法無法完全捕捉它們的動態。通過我們的新技術，我們可以開始解決完全環路和非環路狀態之間的過渡。”

研究人員假設，這些部分環路可能在基因調控中比完全形成的環路發揮更重要的作用。當環路開始形成然後散開時，DNA鏈相互運行，而這些相互作用可能有助於調節元素，如增強子和基因啟動子找到對方。

“90%以上的時間都有一些瞬時的環路，據推測，重要的是有那些正在被永久擠壓的環路。擠壓的過程本身可能比只在短時間內出現的完全環路狀態更重要，”Gabriele說道。

更多的環路需要研究

由於基因組中的大多數其他環路比研究人員在本文中研究的環路更弱，所以他們懷疑許多其他環路也將被證明是高度短暫的。現在，他們計劃使用他們的新技術在各種細胞類型中研究其中一些其他環路。

Hansen說道：“約有一萬個這樣的環路，而我們已經看了一個。我們有很多間接證據表明，這些結果將是可推廣的，但我們還沒有證明這點。使用我們建立的技術平台並結合新的實驗和計算方法，我們可以開始接近基因組中的其他環路。”

此外，研究人員還計劃調查特定環路在疾病中的作用。許多疾病–包括一種叫做FOXG1綜合徵的神經發育障礙都可能跟錯誤的環路動態有關。研究人員現在正在研究FOXG1基因的正常和突變形式及致癌基因MYC是如何被基因組環路形成影響的。