DNA研究向3D时代迈进

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DNA研究向3D时代迈进
对于DNA的比喻在不断增加。它是一串代码、一段螺旋梯，而如今又变成近似折纸的东西。正如将一张平整的纸折叠，能将其变成一只鹤或一朵荷花，研究人员开始意识到，通过成环和折叠形成的复杂模式能帮助人体基因组转变为一些有意义的东西。这种弯曲和旋转可让特定基因同那些距离遥远但调控这些基因活动的DNA片段保持密切联系，激活产生骨头、肌肉或脑细胞的基因表达，亦或刺激癌症的发生。
该想法的精妙和潜力令众多生物学家神魂颠倒，但他们仍在努力获取足够好的数据来确切地理解这些错综复杂的模式。去年12月，一项发表于《细胞》杂志网络版的报告，揭示了迄今为止关于被塞入细胞核的两米长的DNA，也就是所谓的核小体是如何折叠的最精细图谱。“一项具有里程碑意义的研究。”对此，美国国立卫生研究院（NIH）院长Francis Collins在一篇博客文章中评价道。
不过，4天后，一篇发表于《基因与发育》杂志的文章报道称，不同的DNA图谱制作技术有时会产生截然不同的模式，从而带来关于这些图谱到底显示的是什么的疑问。如今，通过一个NIH最新资助的、被称为4D核小体的项目，研究人员将开发出更加可靠、精确且经济的方式绘制并诠释基因组的精细折叠图。该项目“正邀请人们提出不同和更好的想法”，马萨诸塞大学医学院生物学家Job Dekker表示。
在过去的20年里，Dekker、来自得克萨斯州贝勒医学院的Erez Lieberman Aiden和其他人已经利用诸如染色体构象捕获等技术研究了三维状态下的基因组。研究人员能够通过化学手段“冻结”DNA链上不同片段相互联系的任何位置。随后，他们将所有DNA剪切，并将相互联系的DNA黏在一起。基于两个区域联系的次数多少，研究人员便可估算出三维状态下这两个区域相隔多远。
起初，研究人员能够一次性观察一个基因及其搭档，但很快更加复杂的方法出现了。2009年，一项被称为Hi-C的测序技术揭示了一个基因组中每个DNA片段是如何同所有其他片段相互作用的。当时，来自贝勒医学院的Suhas Rao和哈佛大学研究生Miriam Huntley都在Aiden的实验室作研究。他们和同事通过弄清楚如何处理还在细胞核中的DNA然后改进分析技术，将分辨率从大于一个基因的100万个碱基缩小到小于一个基因的1000个碱基。
这项发表于《细胞》杂志、花费300万美元的实验产生了超过5万亿个经过测序的碱基，并且分析了来自8个细胞系的几百万个人类细胞以及一个老鼠细胞系的细胞。数据揭示了1万个环和拥有相似化学修饰和基因活动水平的DNA聚集在一起的6个区域。一些结构对于所有被测试的细胞类型来说都很常见，但有些对每种细胞来说都是独一无二的。“这开辟了一种看待生物学的新方式。”得州大学分子生物学家Vishy Iyer表示。
不过，正如《基因与发育》杂志上那篇论文所展示的，这里面也有一个难题：基于对DNA直接观察而非计算机建模的不同核小体图谱制作技术能产生相互冲突的结果。来自英国爱丁堡大学的Iain Williamson、Wendy Bickmore及其同事将荧光标记应用到各种DNA片段中，在每个片段用上不同的荧光探针，使他们能很容易分辨出互相靠近的片段。研究人员观察了老鼠2号染色体上一个拥有100万碱基长度的区域，其包含一组在发育中起关键作用的Hox同源框蛋白基因。为了对照，他们利用和Hi-C类似的计算技术分析了相同的DNA区域。对于Hox基因簇的某些部分，两种技术有时得出的结果是一致的。但在有些情况下，一种会显示DNA是伸直的，而另一种显示DNA相互纠缠形成一个紧凑的球。“我们不知道为何会这样，也不知道哪种方法是正确的。”德国柏林医学系统生物学研究所细胞生物学家Ana Pombo表示，“我们需要仔细研究这些方法正在告诉我们什么。”
Aiden介绍说，其实验室利用Hi-C技术得到的最新结果同显微镜下的发现一致。不过，“我们也不会自欺欺人，认为Hi-C数据就是终极目的”。“你会想开展很多种试验，无论它们能相互印证还是相互矛盾。”Aiden表示。
NIH开展4D核小体项目的目的便在于此。2014年，NIH宣布了这个为期5年、每年耗资2400万美元的项目。其将改善现有技术，而且有望提出一些新技术。之所以被称为4D，是因为核小体的结构随着细胞老化、分化及分裂而发生改变。研究人员希望弄清楚其中的方式和原因。“目标是让这些技术广泛普及。”位于马里兰州的国立关节炎及肌肉骨骼和皮肤病研究所分子生物学家Rafael Casellas表示。Dekker也认为，研究人员强烈需要这些技术。正如折纸只有被折叠起来才会有生命力，“我们的基因组中没有任何东西是有意义的，除了在三维状态下。”Dekker说。