過幾十年的研究，旨在了解DNA如何在我們的細(xì)胞中組織起來，來自格拉德斯通研究所，麻省理工學(xué)院和其他地方的一組研究人員通過發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵蛋白質(zhì)如何幫助控制基因組織，為這一領(lǐng)域提供了新的視角。該研究發(fā)表在Cell(bioRxiv.org preprint)雜志上。

人類有近30,000個(gè)基因，可以確定從眼睛顏色到遺傳性疾病風(fēng)險(xiǎn)的特征。這些基因位于6英尺長(zhǎng)的DNA上，這些DNA被組織成染色體并塞入每個(gè)人類細(xì)胞中。

將染色體盤繞成環(huán)，然后組織成稱為拓?fù)浣Y(jié)合域的許多大域(TAD)的。

在每個(gè)TAD中，幾個(gè)基因和調(diào)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(gè)TAD中的基因一樣，每個(gè)房間的人都可以互相交談，但不能與隔壁房間的人交談，”研究第一作者ElphègeNora博士說。，格拉德斯通博士后研究員心血管病研究所。

“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基因隔離開來。然后燃燒的問題變成了：控制這個(gè)TAD組織的是什么?“

在這項(xiàng)新研究中，Nora博士及其合著者發(fā)現(xiàn)，組織這些TAD的關(guān)鍵是一種名為CTCF的蛋白質(zhì)(也稱為11-鋅指蛋白或CCCTC結(jié)合因子))。

“CTCF是一種迷人的蛋白質(zhì)。它可以在TAD結(jié)構(gòu)域的邊界找到，之前被認(rèn)為涉及染色體組織的許多方面，“資深作者Benoit Bruneau博士說。，他是舊金山加利福尼亞大學(xué)的教授，也是一名高級(jí)研究員。格拉德斯通心血管病研究所。

“如果我們從細(xì)胞中移除所有的CTCF，我們想看看染色體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生什么。”

科學(xué)家過去一直在努力研究CTCF的作用，因?yàn)樗鼘?duì)細(xì)胞的存活至關(guān)重要。因此，完全去除CTCF會(huì)導(dǎo)致細(xì)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(dòng)物細(xì)胞中的CTCF，”Nora博士解釋說。

“使用這種技術(shù)，我們很快就破壞了蛋白質(zhì)，這樣我們就可以在它們死亡前研究它們。這使我們能夠在沒有CTCF的情況下觀察整個(gè)基因組并觀察其影響。“

該團(tuán)隊(duì)證明了CTCF對(duì)TAD絕緣的重要性。

“我們注意到，在沒有CTCF蛋白的情況下，TAD結(jié)構(gòu)域的絕緣邊界幾乎完全消失，因此基因和調(diào)控元件現(xiàn)在可以與相鄰TAD中的那些相互作用，”Nora博士說。

“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(dòng)。”

然而，CTCF的缺失對(duì)基因如何在單個(gè)TAD內(nèi)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(nèi)的基因。

這代表了第一個(gè)結(jié)論性研究，表明這兩種機(jī)制是分開的，并由不同的蛋白質(zhì)控制。

既然作者有辦法從細(xì)胞中去除CTCF，并破壞了TAD的組織，他們就可以開始研究它對(duì)基因組各個(gè)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。

“我們研究了一種稱為區(qū)室化的組織，它將細(xì)胞核內(nèi)的活性和非活性基因分開，”諾拉博士說。

“這有助于細(xì)胞識(shí)別使用哪些基因。例如，皮膚細(xì)胞不需要與眼睛相關(guān)的基因，因此這些基因?qū)⒕o密地包裝在隔間中并放置，因?yàn)榧?xì)胞永遠(yuǎn)不會(huì)使用它們。我們過去認(rèn)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(shí)并非如此。當(dāng)我們刪除導(dǎo)致TAD邊界消失的CTCF蛋白時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)較大隔室的組織沒有影響，“Bruneau博士說。

“這一有趣的發(fā)現(xiàn)表明CTCF和TAD結(jié)構(gòu)不是分區(qū)化所必需的，而是一個(gè)獨(dú)立的機(jī)制負(fù)責(zé)這種染色體組織。”

“我們的研究結(jié)果重新定義了CTCF在基因調(diào)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博士說。

“有了這些知識(shí)，我們現(xiàn)在可以開始重新評(píng)估幾種疾病的原因，因?yàn)槿旧w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。”