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Nat Methods:利用光线按需定制基因组折叠

来源:本站原创 2019-07-29 08:26

2019年7月29日讯/生物谷BIOON/---你体内的每个细胞都有你的一个紧密缠绕并装入在细胞核中的基因组拷贝。由于每个基因组拷贝实际上是相同的,不同细胞类型及其生物学功能之间的差异可归结为基因组中哪些基因发生表达,基因的表达方式和时间。

科学家越来越了解基因组折叠在这一过程中所起的作用。线性基因序列被包装到细胞核中的方式决定了哪些基因彼此发生物理接触,这接着影响基因表达。

美国宾夕法尼亚大学生物工程系助理教授Jennifer Phillips-Cremins是“三维表观遗传学(3-D Epigenetics)”领域的先驱。如今,在一项新的研究中,她和她的同事们展示了一种新技术 ,它可以根据需要快速地利用光作为触发器快速地创建特定的基因组折叠模式。这种称为光激活动态环状结构化(light-activated dynamic looping, LADL)的技术将另外两种强大的生物技术工具 --- CRISPR/Cas9和光遗传学---结合在一起。通过使用CRISPR/Cas9靶向特定基因组褶皱(genome fold)或者说环状结构(loop)的末端,然后使用光遗传学将这些末端像磁铁一样连接在一起,这些研究人员能够在几小时内在精确的基因组区段之间暂时地创建新的环状结构。相关研究结果发表在2019年7月的Nature Methods期刊上,论文标题为“LADL: light-activated dynamic looping for endogenous gene expression control”。
图片来自Nature Methods, 2019, doi:10.1038/s41592-019-0436-5。

在如此短的时间内形成基因组中的环状结构和撤消它们的能力使得LADL成为一种更详细研究三维表观遗传机制的有前景的工具。鉴于Phillips-Cremins实验室之前的研究提示着这些机制参与各种 神经发育疾病,他们希望LADL最终在未来研究中,甚至在开发治疗方法中发挥着作用。

Phillips-Cremins说道,“近年来,在我们这个领域的科学家们克服了技术和实验方面的挑战,构建出超高分辨率的DNA图谱,这些DNA图谱揭示了DNA在细胞核中如何折叠成复杂的三维模式。 尽管我们如今能够可视化观察诸如环状结构之类的拓扑结构,但是在基因组结构配置如何促进基因组功能方面仍然存在着重要的知识缺口。”

为了开展这方面的实验,研究这些三维模式的科学家们需要使用能够根据接收到的指令操纵特定环状结构的工具。除了内在的物理挑战---让线性基因组中的两个距离较远部分进行物理接触, 就像使用只有几个原子厚度的线穿针一样---之外,这种技术应当是快速的、可逆的,而且能够在靶区域上发挥作用,同时确保对相邻序列的干扰最小化。

CRISPR/Cas9的出现解决了靶向问题。对这种基因编辑工具的改进允许科学家们在他们想要形成的环状结构的任一端靶向所需的DNA序列。如果这些序列可以被设计成在其他的必要条件下寻找彼此并结合在一起,那么就可根据需要形成环状结构。

这些研究人员随后寻找能够将这些环状结构的末端结合在一起的生物机制,并在光遗传学工具包中找到了一种理想的生物学工具。在开花植物拟南芥中发现的蛋白CIB1和CRY2当暴露于蓝光时 会彼此结合在一起。

论文共同第一作者Mayuri Rege说道,“一旦我们打开蓝灯,它们就会在几毫秒内开始发挥作用,并且在4小时内形成环状结构。当我们关闭蓝灯时,这些蛋白就解离,这意味着我们期待所形 成的环状结构会瓦解掉。”

论文共同第一作者Ji Hun Kim说道,“细胞中形成了数以万计的DNA环状结构。有些环状结构是慢慢形成的,但是也有很多环状结构是在一秒内快速形成的。如果我们想要研究这些环状结构快 速形成的机制,我们需要能够在可比的时间尺度上发挥作用的工具。”

快速发挥作用的折叠机制还具有以下优点:它们导致周围基因组区域发生较少的扰动,这有潜力降低为实验结果增加噪声的非预期效应。

这些研究人员使用了他们的高分辨率三维基因组图谱技术测试了利用LADL构建所需的环状结构的能力。在测量转录RNA序列活性的专家Arjun Raj的帮助下,他们还能够证实新形成的环状结构正在影响基因表达。

三维表观遗传学领域的前景是研究这些长程环状结构和决定它们编码的蛋白的时间安排和数量的机制之间的关系。能够设计这些环状结构意味着科学家们将能够在实验条件下模拟这些机制, 这就让LADL成为研究基因组折叠在各种疾病中的作用的重要工具。

Phillips-Cremins说道,“在短时间尺度上理解基因组结构-功能关系至关重要,这是因为基因表达的时空调控对于忠实的人类发育至关重要,以及基因的错误表达经常在人类疾病中发生。利 用光对基因组拓扑结构进行改造为理解这种关联性的因果关系开辟了新的可能性。此外,我们预计,从长远来看,光的使用将允许我们能够靶向特定的人体组织,甚至控制在大脑特定神经元亚型中的环状结构形成。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

1.Ji Hun Kim et al. LADL: light-activated dynamic looping for endogenous gene expression control. Nature Methods, 2019, doi:10.1038/s41592-019-0436-5.

2.Researchers use light to serve up on-demand genome folding
https://phys.org/news/2019-07-on-demand-genome.html
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