Nature Methods：研究復(fù)雜基因組相互作用

來源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2023-06-20 10:51:00【大中小】

摘要：基因組結(jié)構(gòu)制圖捕捉基因組中復(fù)雜的、多向的相互作用。

直到20世紀(jì)80年代，擁有黑白電視機(jī)的人都不知道他們錯(cuò)過了什么，直到他們擁有了一臺(tái)彩色電視機(jī)。類似的轉(zhuǎn)變也可能發(fā)生在基因組學(xué)領(lǐng)域。

馬克斯·德爾布賴克中心柏林醫(yī)學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)研究所(MDC-BIMSB)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種名為基因組結(jié)構(gòu)測繪(GAM)的技術(shù)，可以窺視基因組，并以絢麗的彩色看到它。Pombo實(shí)驗(yàn)室在Nature Methods上發(fā)表的一項(xiàng)新研究報(bào)告稱，GAM揭示了基因組空間結(jié)構(gòu)的信息，而這些信息對(duì)于僅使用Hi-C(2009年開發(fā)的用于研究DNA相互作用的主要工具)的科學(xué)家來說是不可見的。

圖1 研究人員開發(fā)出基因組結(jié)構(gòu)測繪(GAM)技術(shù)可以窺視基因組

“在黑白電視上，你可以看到形狀，但一切看起來都是灰色的，”分子生物學(xué)家、表觀遺傳調(diào)控和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Ana Pombo教授說。“但如果你有一臺(tái)彩電，看看花，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它們是紅色、黃色和白色的，而我們卻沒有意識(shí)到這一點(diǎn)。同樣，基因組在三維空間中折疊的方式也有我們沒有意識(shí)到的信息。”

了解DNA組織可以揭示健康和疾病的基礎(chǔ)。我們的細(xì)胞將一個(gè)2米長的基因組包裹在一個(gè)直徑約10微米的細(xì)胞核中。這種包裝是精確完成的，以便調(diào)控DNA在正確的時(shí)間與正確的基因接觸，并打開或關(guān)閉它們。三維結(jié)構(gòu)的改變會(huì)破壞這一過程并導(dǎo)致疾病。

該研究的第一作者之一、牛津大學(xué)的分子生物學(xué)家Robert Beagrie博士說:“我們早就知道疾病會(huì)在家族中遺傳。最近，我們開始明白，這種傾向在很大程度上是因?yàn)槲覀儚母改改抢锢^承了影響我們基因開啟和關(guān)閉方式的DNA序列變異。”

GAM提供了更復(fù)雜的信息

諸如Hi-C和GAM之類的技術(shù)使科學(xué)家能夠凍結(jié)和研究調(diào)節(jié)序列和基因之間的相互作用。在Hi-C中，染色質(zhì)被酶切成碎片，然后再粘合在一起，這樣在測序時(shí)就能發(fā)現(xiàn)DNA的雙向相互作用。2017年，Pombo團(tuán)隊(duì)在《Nature》雜志上首次描述了GAM，科學(xué)家們從單個(gè)細(xì)胞中取出數(shù)百個(gè)細(xì)胞核薄片，并從中提取DNA。他們對(duì)DNA進(jìn)行測序，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以了解哪些區(qū)域相互作用。

圖2 SWI/SNF的缺陷促進(jìn)了真正的記憶T細(xì)胞形成

利用這項(xiàng)技術(shù)，研究小組繪制了一幅三維相互作用的地圖。當(dāng)他們將其與現(xiàn)有的利用Hi-C繪制的基因組3D圖譜進(jìn)行比較時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了許多新的相互作用。這讓他們感到困惑，直到他們意識(shí)到他們使用GAM看到了更復(fù)雜的相互作用，DNA的多個(gè)區(qū)域同時(shí)聚集在一起。“這些更復(fù)雜的接觸包含活性基因、調(diào)控區(qū)域和超級(jí)增強(qiáng)子，這些增強(qiáng)子調(diào)節(jié)決定細(xì)胞身份的重要基因，”Christoph Thieme博士說，他是該研究的第一作者之一，也是Pombo實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)博士后。

相比之下，Hi-C捕獲的主要是雙向交互。這兩種技術(shù)是互補(bǔ)的，因?yàn)镚AM檢測到的三分之二的接觸用Hi-C是不可見的，反之亦然。

Beagrie說:“看到我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常強(qiáng)大的效應(yīng)，我感到非常興奮。很明顯，這些復(fù)雜的相互作用比我們之前認(rèn)為的要普遍得多。”

參考資料：

[1] Multiplex-GAM: genome-wide identification of chromatin contacts yields insights overlooked by Hi-C