麻省理工學院和法國巴斯德研究所的研究人員已經(jīng)通過形成DNA環(huán)來將基因組組織成不同鄰域的分子“運動”。在2016年發(fā)表的一項研究中，由麻省理工學院醫(yī)學工程與科學研究所物理學教授Leonid Mirny領(lǐng)導(dǎo)的研究小組提出，分子馬達將染色體從松散纏結(jié)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)的一系列擴張環(huán)。

該過程被稱為環(huán)狀擠出，被認為將調(diào)節(jié)元件與它們控制的基因結(jié)合在一起。該團隊還建議DNA裝飾有障礙物 - 類似于停止標志 - 限制擠壓過程。

通過這種方式，循環(huán)擠出將染色體劃分為單獨的調(diào)節(jié)鄰域，稱為拓撲關(guān)聯(lián)域(TAD)。然而，雖然研究人員提出一種叫做cohesin的環(huán)狀蛋白質(zhì)復(fù)合物可能是這些分子馬達的候選者，但這還未得到證實。

現(xiàn)在，在自然雜志上發(fā)表的一篇論文中，由巴斯德研究所的Mirny和Francois Spitz領(lǐng)導(dǎo)的研究小組已經(jīng)證明，cohesin確實在循環(huán)擠出過程中起到了馬達的作用。

“這些機器中的每一臺都落在DNA上并開始擠出環(huán)路，但這些電機無法通過DNA界限，”Mirny說。“因此，由于這種運動活動，基因組被組織成許多不跨越邊界的動態(tài)環(huán)，因此基因組被分成一系列鄰域。”

研究人員還發(fā)現(xiàn)，一種不使用cohesin的不同機制正在將DNA的活性和非活性區(qū)域組織到細胞核的獨立區(qū)室中。

為了確定cohesin在基因組形成中所起的作用，研究小組首先刪除了一種稱為Nipbl的分子，該分子負責將cohesin加載到DNA上。

然后他們使用稱為Hi-C的實驗技術(shù)，其中捕獲并測序在3-D空間中彼此接近的DNA的部分，以測量沿著染色體的不同斑點之間的物理相互作用的頻率。

這項技術(shù)由伍斯特馬薩諸塞大學醫(yī)學中心生物化學和分子藥理學教授Job Dekker開創(chuàng)，此前曾用于證明TAD的存在。

在從小鼠中取出Nipbl分子之前，該團隊首先使用Hi-C技術(shù)評估染色體的組織。然后他們?nèi)〕龇肿硬⒃俅芜M行相同的測量。

他們發(fā)現(xiàn)鄰里幾乎已經(jīng)消失了。

然而，基因組的活性和非活性區(qū)域之間的區(qū)室化變得更加顯著。

該團隊認為，cohesin馬達允許每個基因接觸其調(diào)節(jié)元件，這些元件控制是否應(yīng)該打開或關(guān)閉基因。

更重要的是，似乎cohesin馬達被另一種蛋白質(zhì)CTCF阻止，CTCF定義了每個鄰域的邊界。在最近的Cell雜志上，Mirny實驗室與舊金山加利福尼亞大學和馬薩諸塞大學醫(yī)學院的研究人員合作證明，如果去除這種分界蛋白，鄰域之間的邊界就會消失，從而允許基因在一個社區(qū)與監(jiān)管要素交談，他們不應(yīng)該在另一個社區(qū)談話，并導(dǎo)致細胞中基因的錯誤調(diào)節(jié)。

“Cohesin是基因調(diào)控的核心，我們強調(diào)這是一種運動功能，因此它們(基因及其調(diào)控元素)不僅在空間中隨機發(fā)現(xiàn)，而且它們通過這種運動活動聚集在一起， “米爾尼說。

根據(jù)未參與當前研究的Dekker，本文為細胞折疊染色體的機制提供了重要的新分子見解。

“在這項工作中，Mirny和Spitz實驗室將小鼠模型與基因組方法結(jié)合起來研究染色體折疊，以揭示加載cohesin復(fù)合物的機器對于TAD形成是至關(guān)重要的，”Dekker說。“從這個和另一個先前的研究中，一種分子機制正在形成，其中TAD通過cohesin和Nipbl依賴的染色質(zhì)環(huán)擠出形成，其被CTCF結(jié)合的位點阻斷。”

研究人員現(xiàn)在試圖描述分子運動的缺失將如何影響基因調(diào)控。他們還進行計算機模擬，以確定在基因組經(jīng)歷分離成活性和非活性區(qū)室的獨立過程的同時基于粘連蛋白的環(huán)狀擠出是如何發(fā)生的。

“就像兩位鋼琴演奏者在同一架鋼琴上演奏一樣，”米爾尼實驗室的博士生Nezar Abdennur說道，他與博士生Anton Goloborodko一起參加了這項研究。“他們互相干擾并施加約束，但他們在一起可以產(chǎn)生一種美妙的音樂。”