參與胎兒發(fā)育的基因在不同組織和不同時(shí)間被激活。它們的表達(dá)受到所謂的“增強(qiáng)子序列”的嚴(yán)格調(diào)節(jié)，這些序列通常遠(yuǎn)離它們的靶基因，并且需要DNA分子環(huán)繞并使它們與它們的靶基因非常接近。DNA的這種3D變化又由稱為拓?fù)渚喓辖Y(jié)構(gòu)域(TAD)的其他序列控制。EPFL科學(xué)家現(xiàn)在研究了胎兒數(shù)字發(fā)育中涉及的TAD，并對(duì)圍繞它們的一些重大問(wèn)題深入了解。這項(xiàng)工作發(fā)表在基因組生物學(xué)。

邊界和磁帶

TAD是DNA分子的一部分，它將生物體的整個(gè)基因組劃分為可管理的塊，如城市中的區(qū)域。在細(xì)胞內(nèi)，大量的DNA被包裝到染色質(zhì)中，染色質(zhì)被包裝到熟悉的染色體中。在每個(gè)TAD內(nèi)部都存在基因以及調(diào)節(jié)它們的元素，所有這些都被包裝在一起并與鄰近TAD中的基因和調(diào)節(jié)因子隔離，如分隔城區(qū)的通道或墻壁。打破TAD設(shè)定的界限會(huì)導(dǎo)致許多疾病，如結(jié)腸癌，食道癌，腦癌和血癌。

但是盡管它們具有重要性，但我們對(duì)這些邊界知之甚少，這賦予了TAD其結(jié)構(gòu)。這提出了一個(gè)問(wèn)題：信息是來(lái)自TAD的內(nèi)部部分還是來(lái)自邊界。后者是DNA序列，通常與蛋白質(zhì)cohesin和CTCF相關(guān)，它們像膠帶一樣粘在TAD末端，似乎有助于它們分裂和環(huán)繞DNA。最近，在TAD結(jié)構(gòu)域的邊界處發(fā)現(xiàn)的CTCF特別令人感興趣，因?yàn)樗@示出將TAD結(jié)構(gòu)域彼此隔離而不是單個(gè)TAD 結(jié)構(gòu)域內(nèi)的遺傳元件。

數(shù)字見解

現(xiàn)在，EPFL的Denis Duboule實(shí)驗(yàn)室與他們?cè)谌諆?nèi)瓦大學(xué)的同事進(jìn)行的一項(xiàng)研究提供了有關(guān)TAD以及他們?nèi)绾谓M織DNA的重要見解。“我們正在研究DNA架構(gòu)和功能，”負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的研究員Pierre Fabre說(shuō)。

具體來(lái)說(shuō)，科學(xué)家研究了杜布勒實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期以來(lái)的一系列基因，即HoxD基因簇，它控制著哺乳動(dòng)物胚胎的數(shù)字發(fā)育。研究人員用它作為模型來(lái)了解TAD中多個(gè)增強(qiáng)子序列之間的相互作用，以及“組成型接觸”，它指的是TAD與蛋白質(zhì)之間的恒定相互作用，即將HoxD基因組裝成DNA染色質(zhì)，即使沒有基因也是如此。轉(zhuǎn)錄正在進(jìn)行中。

研究人員將染色體構(gòu)象捕獲(4C-seq)和DNA熒光原位雜交(FISH)結(jié)合起來(lái)測(cè)量壓實(shí)水平和TAD離散度。他們還進(jìn)行了連續(xù)的基因組缺失和反轉(zhuǎn)，這些缺失和反轉(zhuǎn)影響了HoxD染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域的完整性，并且還導(dǎo)致了遠(yuǎn)程調(diào)控元件的重塑。這使他們能夠評(píng)估該領(lǐng)域中TAD架構(gòu)的穩(wěn)健性。

數(shù)據(jù)表明這些TAD可以在Hoxd 基因和多達(dá)三種增強(qiáng)子之間存在多種關(guān)聯(lián)，并且破壞染色質(zhì)的3D結(jié)構(gòu)導(dǎo)致TAD結(jié)構(gòu)的重塑。此外，CTCF似乎在邊界選擇機(jī)制中介導(dǎo)長(zhǎng)程DNA接觸的門控。“重組TAD的構(gòu)建取決于不同的功能和內(nèi)在參數(shù)，如基因組距離，”法布爾說(shuō)。