人體內(nèi)每個(gè)細(xì)胞中的DNA分子，如果端對(duì)端放置，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(lái)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)量基因組的3D組織的基因組技術(shù)的最新進(jìn)展允許該組織的分辨率提高。然而，當(dāng)基因組在開(kāi)發(fā)過(guò)程中獲得3D組織時(shí)尚不清楚?，F(xiàn)在，使用早期發(fā)展的果蠅胚胎和基因組技術(shù)來(lái)測(cè)量3D基因組組織，研究小組在馬克斯普朗克研究所分子生物醫(yī)學(xué)明斯特“調(diào)控基因組學(xué)”的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，基因組的三維組織出現(xiàn)在早期胚胎開(kāi)啟自己的遺傳計(jì)劃。

細(xì)胞遺傳物質(zhì)的常見(jiàn)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。

"One could think of this as a plate of spaghetti, where each individual piece of pasta would correspond to the DNA molecule in each chromosome", says Juanma Vaquerizas, head of the Max Planck Research Group 'Regulatory Genomics' at the Max Planck Institute for Molecular Biomedicine, who led the study. "A fundamental question in the field was whether each spaghetti would randomly mingle with other pieces of pasta or whether they would occupy a defined space within the plate."

使用顯微鏡方法，科學(xué)家們之前已經(jīng)確定染色質(zhì)在細(xì)胞核中的位置不是隨機(jī)的，并且我們測(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(chēng)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(lèi)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(lèi)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(guò)程中何時(shí)建立的問(wèn)題。

該團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向果蠅的早期開(kāi)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(méi)有基因激活”，Vaquerizas說(shuō)。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(shuō)。

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@使得他們能夠在轉(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(guò)這樣做，將基因組組織與轉(zhuǎn)錄的影響脫鉤。 。

通過(guò)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)別在三維核中相互作用的DNA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，并能揭示早期發(fā)育階段組織的變化。“引人注目的是，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在發(fā)育的早期階段，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(shuō)。“這些邊界被管家基因所占據(jù)，這些基因在所有細(xì)胞類(lèi)型中不斷轉(zhuǎn)錄。一旦確立，這些基因在整個(gè)發(fā)育過(guò)程中都得到了維持。”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組織在組織類(lèi)型和物種之間的進(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(wú)關(guān)，盡管與轉(zhuǎn)錄活性區(qū)域有關(guān)。“這很有意義，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(shuō)。科學(xué)家觀察到，Zelda是一種先驅(qū)轉(zhuǎn)錄因子蛋白，能夠打開(kāi)染色質(zhì)，使轉(zhuǎn)錄機(jī)器能夠獲得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(shuō)。

“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(shuō)。“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(jiàn)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。”