人體內(nèi)每個(gè)細(xì)胞中的DNA分子如果首尾相連，其長(zhǎng)度約為2米。然而，值得注意的是，細(xì)胞能夠在核的受限空間中折疊和壓縮它們的遺傳物質(zhì)，其僅跨越幾微米。重要的是，核內(nèi)基因組的壓實(shí)和排列需要以有序的方式實(shí)現(xiàn)，這仍然允許細(xì)胞適當(dāng)?shù)孬@取遺傳信息，例如產(chǎn)生特定蛋白質(zhì)的信使RNA，或在細(xì)胞之前復(fù)制遺傳物質(zhì)。師。當(dāng)突變發(fā)生破壞與基因組空間組織相關(guān)的特征時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致發(fā)育障礙和癌癥。

科學(xué)家長(zhǎng)期以來一直關(guān)注檢查細(xì)胞核中基因組的空間組織，主要是使用顯微鏡技術(shù)。用于測(cè)量基因組3D組織的基因組技術(shù)的最新進(jìn)展使得該組織的分辨率提高。然而，當(dāng)基因組在開發(fā)過程中獲得3D組織時(shí)尚不清楚?，F(xiàn)在，利用早期開發(fā)的果蠅胚胎和基因組技術(shù)來測(cè)量三維基因組組織，明斯特馬克斯普朗克分子生物醫(yī)學(xué)研究所的研究組“監(jiān)管基因組學(xué)”的科學(xué)家們已經(jīng)證明，當(dāng)早期胚胎出現(xiàn)時(shí)，基因組的三維組織就出現(xiàn)了。開啟自己的遺傳程序。

細(xì)胞遺傳物質(zhì)的常見圖像是有絲分裂染色體的桿狀結(jié)構(gòu)。然而，那些僅在細(xì)胞經(jīng)歷細(xì)胞分裂時(shí)存在。其余的時(shí)間，遺傳物質(zhì)以染色質(zhì)纖維的形式被發(fā)現(xiàn)- 密集纏繞在組蛋白上的DNA分子 - 比有絲分裂染色體密度小，占據(jù)核空間。

馬克斯普朗克研究所馬克斯普朗克研究組“監(jiān)管基因組學(xué)”負(fù)責(zé)人Juanma Vaquerizas表示，“人們可以將其視為一盤意大利面，其中每塊面食都與每條染色體中的DNA分子相對(duì)應(yīng)”。分子生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。“該領(lǐng)域的一個(gè)基本問題是每個(gè)意大利面條是否會(huì)隨意與其他意大利面混合在一起，或者它們是否會(huì)在平板內(nèi)占據(jù)一個(gè)明確的空間。”

使用顯微鏡方法，科學(xué)家們之前確定染色質(zhì)在細(xì)胞核中的位置不是隨機(jī)的，我們測(cè)量染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的能力的最新進(jìn)展表明，更精細(xì)的結(jié)構(gòu)，稱為拓?fù)浣Y(jié)合域(TAD)，構(gòu)成基本功能的一部分確定基因組3D組織的單位。然而，一個(gè)非常令人費(fèi)解的觀察結(jié)果是，當(dāng)基因組的TAD組織在生物體中的不同細(xì)胞類型或物種之間的DNA的保守區(qū)域中進(jìn)行檢查時(shí)，盡管基因組的不同部分，但這樣的樣本似乎非常相似。積極地用于不同的細(xì)胞類型。這促使Clemens Hug和Juanma Vaquerizas解決了染色質(zhì)結(jié)構(gòu)在生物體發(fā)育過程中何時(shí)建立的問題。

該團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向果蠅的早期開發(fā)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。“關(guān)于果蠅胚胎發(fā)育的一個(gè)驚人特征是，在受精后，細(xì)胞核每10-15分鐘同步分裂十三次而沒有基因激活”，Vaquerizas說。母體沉積的mRNA和蛋白質(zhì)確保在最初的核周期中發(fā)生分化和發(fā)育。然后，在核周期14-受精后僅2.5小時(shí) - 胚胎基因組被激活。“因此，在果蠅中，我們可以在高時(shí)間分辨率下準(zhǔn)確地研究早期的染色質(zhì)組織”，Vaquerizas說。

生物體的選擇及其發(fā)育時(shí)間對(duì)研究人員的實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要，因?yàn)檫@使他們能夠在轉(zhuǎn)錄自然不發(fā)生的階段檢查細(xì)胞核中的三維基因組組織，并通過這樣做，將基因組組織與轉(zhuǎn)錄的影響脫鉤。 。

通過使用最先進(jìn)的基因組分析，科學(xué)家們能夠以非常高的空間分辨率研究染色質(zhì)組織。該研究的第一作者Clemens Hug解釋了他們使用的方法：“所謂的原位Hi-C技術(shù)使我們能夠準(zhǔn)確識(shí)別DNA在三維核中相互作用的那些部分?？臻g和整個(gè)基因組的相互作用程度。因此，我們能夠在特定時(shí)間點(diǎn)捕獲染色質(zhì)的3D組織，并且可以揭示早期發(fā)育階段組織的變化。“ 引人注目的是，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在開發(fā)的早期階段，基因組缺乏定義的高階染色質(zhì)組織，并且3D架構(gòu)在后期階段逐漸出現(xiàn)。

“我們發(fā)現(xiàn)TAD邊界 - 定義功能上不同的染色質(zhì)單位 - 在第一個(gè)合子基因被轉(zhuǎn)錄時(shí)出現(xiàn)。當(dāng)完整的合子基因組被激活時(shí)，TAD邊界的數(shù)量達(dá)到平臺(tái)”，Hug說。“這些邊界被管家基因占據(jù)，這些基因在所有細(xì)胞類型中不斷轉(zhuǎn)錄。一旦建立，這些基因在整個(gè)發(fā)育過程中得以維持。” 這是一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗兄诮忉尀槭裁椿蚪M的TAD組織在不同物種之間的組織類型和進(jìn)化保守區(qū)域之間是相似的。

然而，科學(xué)家們可以證明TAD邊界的建立與轉(zhuǎn)錄本身無關(guān)，盡管與轉(zhuǎn)錄活性區(qū)域有關(guān)。“這引起了人們的興趣，因?yàn)樗砻鲗?dǎo)致轉(zhuǎn)錄的機(jī)制或機(jī)制可能在TAD邊界建立中發(fā)揮作用”，Hug說?？茖W(xué)家觀察到，Zelda是一種先驅(qū)轉(zhuǎn)錄因子蛋白，可以打開染色質(zhì)，使轉(zhuǎn)錄機(jī)器可以接近DNA，這對(duì)于建立一些TAD邊界是必要的。“因此，我們認(rèn)為Zelda和其他具有相似功能的蛋白質(zhì)與RNA Pol II一致，可以創(chuàng)建TAD邊界，從而負(fù)責(zé)3D染色質(zhì)結(jié)構(gòu)”，Hug說。

“當(dāng)確定TAD邊界的蛋白質(zhì) - 因此對(duì)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要 - 被破壞時(shí)，這可能會(huì)導(dǎo)致明顯的發(fā)育障礙和癌癥”，Vaquerizas說。“因此，我們對(duì)3D染色質(zhì)結(jié)構(gòu)如何建立和維持的新見解將對(duì)進(jìn)一步的研究產(chǎn)生重大影響，研究其對(duì)發(fā)育和疾病期間基因表達(dá)的影響。”