經(jīng)過數(shù)十年的研究，旨在了解DNA在人體細胞中的組織方式，格萊斯頓研究所的科學家通過發(fā)現(xiàn)關鍵蛋白質如何幫助控制基因組織，為這一神秘領域提供了新的視角。人類有近30,000個基因，可以確定從眼睛顏色到遺傳性疾病風險的特征。這些基因位于6英尺長的DNA上，這些DNA被精心組織成染色體并塞入每個微觀人體細胞中。格拉德斯通的高級研究員，一項新研究的主要作者Benoit Bruneau博士說：“DNA在染色體中的極端壓縮就像是從舊金山一直延伸到紐約，然后把它塞進背包里。” “染色體的組織不是隨機的，而是非常復雜的，對正常發(fā)育至關重要。當這個過程出錯時，它可能導致各種疾病。”

我們的DNA是如何組織的?

將染色體卷成環(huán)，然后組織成許多稱為拓撲結合域或TAD的大域。在每個TAD中，幾個基因和調節(jié)它們的元素被包裝在一起，并且它們與相鄰TAD中的那些基因隔離。

“想象一下TAD就像是相鄰的房間：就像每個TAD中的基因一樣，每個房間里的人都可以互相交談，但不能與隔壁房間的人交談，”Bruphau實驗室博士后學者ElphègeNora博士解釋說，他的第一作者研究。“在之前的工作中，我們發(fā)現(xiàn)TAD將基因打包在一起，并將它們與鄰近的基因隔離開來。然后燃燒的問題變成了：控制這個TAD組織的是什么?”

在發(fā)表于著名科學期刊Cell的新研究中，科學家發(fā)現(xiàn)組織這些TAD的關鍵是一種名為CTCF的蛋白質。

“CTCF是一種迷人的蛋白質，”Bruneau說，他也是舊金山加利福尼亞大學的教授。“它可以在TAD結構域的邊界找到，之前被認為涉及染色體組織的許多方面。我們希望看到如果我們從細胞中移除所有CTCF會對染色體結構產生什么影響。”

研究人員一直在努力研究CTCF在過去的作用，因為它對細胞的存活至關重要。因此，完全去除CTCF會導致細胞死亡，使其無法研究。“我們使用一種新的遺傳方法來完全消除哺乳動物細胞中的CTCF，”諾拉說。“使用這種技術，我們可以非?？焖俚仄茐牡鞍踪|，這樣我們就可以在它們死亡之前研究它們。這使我們可以在沒有CTCF的情況下觀察整個基因組并觀察其效果。”

與麻省理工學院Leonid A. Mirny領導的計算生物學家團隊以及馬薩諸塞大學醫(yī)學院Job Dekker領導的生物化學家團隊合作，Gladstone科學家證明了CTCF對絕緣材料的重要性?？缃鐒游镆卟?。

“我們注意到，在沒有CTCF蛋白的情況下，TAD結構域的絕緣邊界幾乎完全消失，因此基因和調控元件現(xiàn)在可以與相鄰TAD中的那些相互作用，”Nora補充道。“這就像拆除相鄰房間之間的墻壁，以便人們現(xiàn)在可以自由地與鄰近房間的其他人互動。”

然而，CTCF的缺失對基因如何在單個TAD內連接幾乎沒有影響。這表明CTCF是將TAD彼此絕緣所必需的，但不是用于封裝這些域內的基因。這代表了第一個結論性研究，表明這兩種機制是分開的，并由不同的蛋白質控制。

重新定義我們對CTCF的理解

現(xiàn)在，科學家終于找到了從細胞中去除CTCF并破壞TAD組織的方法，他們可以開始研究它對基因組各個方面的影響。他們利用這種新能力來檢查染色體組織的其他水平。

“我們研究了一種叫做區(qū)室化的組織，它將細胞核內的活性和非活性基因分開，”諾拉說。“這有助于細胞識別使用哪些基因。例如，皮膚細胞不需要與眼睛相關的基因，因此這些基因將緊密包裝在隔間中并放置，因為細胞永遠不會使用它們。我們曾經(jīng)認為TAD域的邊界是組織這些隔間的先決條件。“

“令我們驚訝的是，我們發(fā)現(xiàn)事實并非如此，”布魯諾說。“當我們刪除導致TAD邊界消失的CTCF蛋白時，我們發(fā)現(xiàn)較大隔室的組織沒有受到影響。這個有趣的發(fā)現(xiàn)表明CTCF和TAD結構不是分區(qū)所必需的，而是一個獨立的機制是負責這個染色體組織。“

“我們的發(fā)現(xiàn)重新定義了CTCF在基因調控中的作用，并為管理基因組組織的基本過程提供了新的見解”Bruneau補充道。“有了這些知識，我們現(xiàn)在可以開始重新評估幾種疾病的原因，因為染色體組織 - 包括TADs - 在許多癌癥中經(jīng)常被破壞，并且涉及重大的發(fā)育缺陷，例如先天性心臟病。”

在同行評審期刊Cell上發(fā)表之前，該研究的初步版本發(fā)布在bioRxiv上，bioRxiv是一種開放式分發(fā)服務，用于生命科學中未發(fā)表的預印本，并在過去幾個月內下載了近5,000次。

“這些網(wǎng)站提供了新的，令人興奮的，更直接的方式來分享研究成果，”Bruneau說。“它還為我們提供了寶貴的意見，幫助我們制定了最終的手稿和未來的研究成果。”