麻省大學(xué)醫(yī)學(xué)院，巴黎居里研究所和斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們?cè)敿?xì)研究了在稱為巴爾體的雌性哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的無活性X染色體的小而密集的結(jié)構(gòu)，并開發(fā)了一個(gè)可能是重要的模型系統(tǒng)。用于理解染色體結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)的工具。

非活性X染色體長(zhǎng)期以來被認(rèn)為是一種相當(dāng)無定形的壓實(shí)結(jié)構(gòu)，但是發(fā)表在Nature上的新研究揭示了一種高度有組織的染色體，它由兩個(gè)不同的凝聚的無活性DNA組成，其中嵌入了較小的活性DNA結(jié)構(gòu)域。這些較小的域，稱為拓?fù)潢P(guān)聯(lián)域，是高度定義的遺傳“鄰域”，也可以在其他染色體上找到。這些結(jié)構(gòu)域在基因表達(dá)中具有重要作用，并且它們?cè)谄渌麩o活性的Barr體內(nèi)存在是令人驚訝的。

“這是我們能夠獲得Barr體內(nèi)DNA的最詳細(xì)的分子觀點(diǎn)，”霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員，生物化學(xué)與分子藥理學(xué)教授，該項(xiàng)目的聯(lián)合主任Job Dekker博士說。系統(tǒng)生物學(xué)。“在顯微鏡下，無活性的X染色體與其他染色體非常不同;它看起來像一個(gè)凝聚的，未定義的，無活性的'斑點(diǎn)'。我們的研究使用一系列實(shí)驗(yàn)方法，包括成像和基因組方法，完全描述了一些東西：高度組織化和精細(xì)化的結(jié)構(gòu)，豐富的特征可能使整個(gè)染色體上的基因沉默或激活。

盡管DNA由線性堿基序列組成，但它不以簡(jiǎn)單，直的形式存在于細(xì)胞核內(nèi)。相反，基因組折疊并循環(huán)回自身，因此它可以適應(yīng)細(xì)胞核的緊密區(qū)域。它所采用的形狀對(duì)細(xì)胞中的哪些基因打開或關(guān)閉具有深遠(yuǎn)的影響。為了正確理解基因組如何協(xié)調(diào)基因表達(dá)，有必要了解基因組在細(xì)胞內(nèi)空間的組織方式。

在非活性X染色體的情況下，科學(xué)家們知道雌性哺乳動(dòng)物含有兩條X染色體，其中一條被“關(guān)閉”以避免基因過度表達(dá)。用顯微鏡可以清楚地看到這種無活性的X染色體是一種致密，無形，深色的染色體，稱為巴爾體。據(jù)認(rèn)為，巴爾體的密集形狀是由于它幾乎不活躍。但是Barr體的精確結(jié)構(gòu)，它如何被濃縮以及為什么一些DNA保持活性，使用最先進(jìn)的成像技術(shù)以及最近基于染色體構(gòu)象捕獲的基因組方法很難探索。

作為基因組三維結(jié)構(gòu)研究的先驅(qū)，Dekker博士開發(fā)了一套染色體構(gòu)象捕獲技術(shù) - 生化技術(shù)，用于確定DNA片段如何相互作用并相互連接，這是“ 3C，“5C”和“Hi-C”工具被世界各地的研究人員用于繪制細(xì)胞內(nèi)染色體的三維組織。使用Hi-C技術(shù)，Dekker及其同事能夠構(gòu)建非活動(dòng)X染色體形狀和結(jié)構(gòu)的詳細(xì)視圖。

為了解開無活性X染色體的結(jié)構(gòu)，Dekker及其同事首先必須解決一些主要障礙。根據(jù)Dekker實(shí)驗(yàn)室的生物信息學(xué)家Bryan R. Lajoie的說法，一個(gè)問題是，由于它們具有幾乎相同的序列，所以幾乎不可能將無活性的X染色體區(qū)分為活躍的X染色體。“我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中使用的小鼠模型缺乏我們?cè)谶z傳上需要的多樣性，以便能夠做出這種區(qū)分，”他說。

“為了使用Hi-C測(cè)序技術(shù)正確確定染色體的三維結(jié)構(gòu)，我們跨越了兩種不同的小鼠品系，并利用其中一條X 染色體中的天然突變作為指導(dǎo)建立了一種新的計(jì)算方法，”Lajoie說。 。“通過計(jì)算填補(bǔ)空白，我們能夠連接足夠的點(diǎn)，開始在Barr體內(nèi)構(gòu)建非活動(dòng)X的三維模型。”

他們發(fā)現(xiàn)Barr體不是單個(gè)密集的DNA質(zhì)量，而是由兩個(gè)獨(dú)立堆積的葉片組成，這些葉片由高度重復(fù)的DNA片段隔開，稱為宏觀衛(wèi)星重復(fù)序列，僅在基因組中的少數(shù)位置發(fā)現(xiàn)。Dekker推測(cè)這些宏觀衛(wèi)星重復(fù)序列負(fù)責(zé)在Barr體內(nèi)包裝和組織DNA。當(dāng)研究小組使用CRISPR技術(shù)從染色體中手術(shù)切除大衛(wèi)星重復(fù)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)雙葉結(jié)構(gòu)消失了。“值得注意的是，單個(gè)元素可以對(duì)染色體的形狀和功能產(chǎn)生如此全球性的影響，”巴黎Institut Curie的表觀遺傳學(xué)和細(xì)胞記憶主席Edith Heard博士說。

盡管大部分是無活性的，但仍然在葉片內(nèi)部表達(dá)基因簇。這些基因位于拓?fù)浣Y(jié)合域(TAD)內(nèi)，這些域?qū)⒒蚪M組織成由富含CTCF蛋白的邊界分隔的鄰域，這抑制了轉(zhuǎn)錄。這一發(fā)現(xiàn)表明，TADs在使沉默的X染色體的無活性的葉片內(nèi)組織基因表達(dá)中發(fā)揮作用。

“為了使基因在非活性Barr體內(nèi)表達(dá)，它必須位于TAD內(nèi)部.TAD可能起到一種保護(hù)作用，即使基因位于其內(nèi)部也可以進(jìn)行表達(dá)。濃縮和無活性的染色體，“德克爾說。這一突破使非活性X染色體成為一個(gè)強(qiáng)大而獨(dú)特的模型系統(tǒng)，用于研究基因組空間組織與基因表達(dá)之間的關(guān)系，并將幫助科學(xué)家更多地了解基因組如何在活細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮作用。