麻省理工學(xué)院和法國(guó)巴斯德研究所的研究人員已經(jīng)通過(guò)形成DNA環(huán)來(lái)將基因組組織成不同鄰域的分子“運(yùn)動(dòng)”。在2016年發(fā)表的一項(xiàng)研究中，由麻省理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程與科學(xué)研究所物理學(xué)教授Leonid Mirny領(lǐng)導(dǎo)的研究小組提出，分子馬達(dá)將染色體從松散纏結(jié)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)的一系列擴(kuò)張環(huán)。

該過(guò)程被稱(chēng)為環(huán)狀擠出，被認(rèn)為將調(diào)節(jié)元件與它們控制的基因結(jié)合在一起。該團(tuán)隊(duì)還建議DNA裝飾有障礙物 - 類(lèi)似于停止標(biāo)志 - 限制擠壓過(guò)程。

通過(guò)這種方式，循環(huán)擠出將染色體劃分為單獨(dú)的調(diào)節(jié)鄰域，稱(chēng)為拓?fù)潢P(guān)聯(lián)域(TAD)。然而，雖然研究人員提出一種叫做cohesin的環(huán)狀蛋白質(zhì)復(fù)合物可能是這些分子馬達(dá)的候選者，但這還未得到證實(shí)。

現(xiàn)在，在自然雜志上發(fā)表的一篇論文中，由巴斯德研究所的Mirny和Francois Spitz領(lǐng)導(dǎo)的研究小組已經(jīng)證明，cohesin確實(shí)在循環(huán)擠出過(guò)程中起到了馬達(dá)的作用。

“這些機(jī)器中的每一臺(tái)都落在DNA上并開(kāi)始擠出環(huán)路，但這些電機(jī)無(wú)法通過(guò)DNA界限，”Mirny說(shuō)。“因此，由于這種運(yùn)動(dòng)活動(dòng)，基因組被組織成許多不跨越邊界的動(dòng)態(tài)環(huán)，因此基因組被分成一系列鄰域。”

研究人員還發(fā)現(xiàn)，一種不使用cohesin的不同機(jī)制正在將DNA的活性和非活性區(qū)域組織到細(xì)胞核的獨(dú)立區(qū)室中。

為了確定cohesin在基因組形成中所起的作用，研究小組首先刪除了一種稱(chēng)為Nipbl的分子，該分子負(fù)責(zé)將cohesin加載到DNA上。

然后他們使用稱(chēng)為Hi-C的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，其中捕獲并測(cè)序在3-D空間中彼此接近的DNA的部分，以測(cè)量沿著染色體的不同斑點(diǎn)之間的物理相互作用的頻率。

這項(xiàng)技術(shù)由伍斯特馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)中心生物化學(xué)和分子藥理學(xué)教授Job Dekker開(kāi)創(chuàng)，此前曾用于證明TAD的存在。

在從小鼠中取出Nipbl分子之前，該團(tuán)隊(duì)首先使用Hi-C技術(shù)評(píng)估染色體的組織。然后他們?nèi)〕龇肿硬⒃俅芜M(jìn)行相同的測(cè)量。

他們發(fā)現(xiàn)鄰里幾乎已經(jīng)消失了。

然而，基因組的活性和非活性區(qū)域之間的區(qū)室化變得更加顯著。

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，cohesin馬達(dá)允許每個(gè)基因接觸其調(diào)節(jié)元件，這些元件控制是否應(yīng)該打開(kāi)或關(guān)閉基因。

更重要的是，似乎cohesin馬達(dá)被另一種蛋白質(zhì)CTCF阻止，CTCF定義了每個(gè)鄰域的邊界。在最近的Cell雜志上，Mirny實(shí)驗(yàn)室與舊金山加利福尼亞大學(xué)和馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員合作證明，如果去除這種分界蛋白，鄰域之間的邊界就會(huì)消失，從而允許基因在一個(gè)社區(qū)與監(jiān)管要素交談，他們不應(yīng)該在另一個(gè)社區(qū)談話(huà)，并導(dǎo)致細(xì)胞中基因的錯(cuò)誤調(diào)節(jié)。

“Cohesin是基因調(diào)控的核心，我們強(qiáng)調(diào)這是一種運(yùn)動(dòng)功能，因此它們(基因及其調(diào)控元素)不僅在空間中隨機(jī)發(fā)現(xiàn)，而且它們通過(guò)這種運(yùn)動(dòng)活動(dòng)聚集在一起， “米爾尼說(shuō)。

根據(jù)未參與當(dāng)前研究的Dekker，本文為細(xì)胞折疊染色體的機(jī)制提供了重要的新分子見(jiàn)解。

“在這項(xiàng)工作中，Mirny和Spitz實(shí)驗(yàn)室將小鼠模型與基因組方法結(jié)合起來(lái)研究染色體折疊，以揭示加載cohesin復(fù)合物的機(jī)器對(duì)于TAD形成是至關(guān)重要的，”Dekker說(shuō)。“從這個(gè)和另一個(gè)先前的研究中，一種分子機(jī)制正在形成，其中TAD通過(guò)cohesin和Nipbl依賴(lài)的染色質(zhì)環(huán)擠出形成，其被CTCF結(jié)合的位點(diǎn)阻斷。”

研究人員現(xiàn)在試圖描述分子運(yùn)動(dòng)的缺失將如何影響基因調(diào)控。他們還進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，以確定在基因組經(jīng)歷分離成活性和非活性區(qū)室的獨(dú)立過(guò)程的同時(shí)基于粘連蛋白的環(huán)狀擠出是如何發(fā)生的。

“就像兩位鋼琴演奏者在同一架鋼琴上演奏一樣，”米爾尼實(shí)驗(yàn)室的博士生Nezar Abdennur說(shuō)道，他與博士生Anton Goloborodko一起參加了這項(xiàng)研究。“他們互相干擾并施加約束，但他們?cè)谝黄鹂梢援a(chǎn)生一種美妙的音樂(lè)。”