Cell：揭示进化过程中解决基因调节冲突机制

基因控制的层次使DNA能够灵活地增加新的信息。基因和它们的基因开关被组装成功能单元，可根据需要开启或关闭基因。破坏这些功能单元可以导致疾病，但是在一项新的研究中，一个国际研究团队明确指出，它们比以前认为的更加稳健和灵活。他们发现，即使在同一个基因组功能单元中插入新的DNA片段，一个基因仍可能发挥作用。相关研究结果发表在2022年9月29日的Cell期刊上，论文标题为“Repression and 3D-restructuring resolves regulatory conflicts in evolutionarily rearranged genomes”。

每个人体细胞的微小细胞核中都塞有两米长的DNA。为了在正确的时间向细胞提供正确的信息，DNA分子被有效地包装成功能单元。基因通常与它们的控制序列聚集在一起，构建物理上分离的工作空间。但是，当这些功能单元在进化过程中---或者在个别患者的基因组中---受到干扰时会发生什么？

论文共同通讯作者、马克斯-普朗克分子遗传学研究所发育与疾病研究小组负责人Stefan Mundlos说，“我们在临床上看到的一些基因组重排会导致疾病，而另一些则不会。我们仍然不完全了解为什么会出现这种情况。”

事实上，基因组的许多部分都存在调节冲突。这项新的研究首次提示了它们是如何解决的。这些作者研究了一个例子：一个新的基因被成功地整合到基因组中，而没有干扰到邻近基因的原有控制机制。该团队希望这也可以用来对患者细胞中的类似情况得出结论。

Mundlos团队探索了一个发生在所有胎盘哺乳动物（包括人类，但不包括像负鼠这样的有袋动物）的祖先身上的突变。该突变将新基因Zfp42直接插入了重要的发育基因Fat1的工作空间，Fat1基因参与了细胞的生长和迁移。

论文共同通讯作者Michael Robson说，“我们发现，细胞以两种不同的机制应对这位不速之客，这取决于需要基因的情况。在某些组织中，这个新基因在表观遗传学上被沉默并完全关闭。然而，在胚胎的早期发育过程中，这两个基因都是活跃的，细胞将基因组的这一部分重建为新的允许单独控制的功能单元。”

工作空间中的新来者

Robson、他的博士生Alessa Ringe及其同事们研究了Fat1的工作空间。像许多其他基因一样，它被称为增强子的其他DNA序列指示在特定的时间和地点开启。为了让增强子和基因进行交流，DNA会折叠和弯曲，将它们聚集到一个受保护的工作空间。DNA的这些功能性的工作单元被称为拓扑相关结构域（topologically associated domain, TAD）。

在鸡或负鼠中，只有Fat1基因与它的增强子位于同一个TAD中。当这些作者采用“Hi-C”技术来观察DNA的哪些部分最经常地相互接触时，该基因及其增强子的行为符合预期。在这些动物中，DNA似乎蜷缩成一个球，允许这两个序列混合在一起，从而激活Fat1。

Ringel解释说，“但是在像小鼠或人类这样的胎盘哺乳动物中，情况就有点复杂了。就在Fat1基因和它的增强子之间，有这个叫做Zfp42的新基因。同一个增强子应该控制这两个基因，但情况并非如此。这两个基因似乎相处得很好---它们有完全独立的行为，在发育的不同时期在不同的组织中变得活跃。”

要么休眠，要么重建细胞的工作空间

为了弄清这些基因如何设法避免彼此的问题，这些作者比较了来自不同小鼠组织的细胞：发育中的胚胎肢（embryonic limb）和胚胎干细胞。

从这些实验中，这些作者了解到，在胚胎肢中，这个增强子确实与这两个基因接触，但Zfp42仍然不活跃。事实证明，这个新来的基因仍然处于同一个工作空间，但在一个角落里安静地睡着。该基因已被DNA甲基化所沉默。但是为了让Zfp42基因进入休眠状态，它需要准确地处于正确的位置。只要他们实验性地将它剪切粘贴到两侧的任何一侧，它就会被Fat1的增强子激活。

图片来自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.09.006。

他们吃惊地发现，在小鼠胚胎干细胞的细胞中，这两个基因周围的DNA的组装方式完全不同。Zfp42和Fat1如今用它们各自的增强子建立了它们自己的物理上独立的工作空间。原始的TAD分裂成更小的DNA斑块，将两个基因分开。这不仅从Hi-C实验中可以看出，该实验绘制了DNA片段之间的接触点，而且从高分辨的显微镜成像和计算机模型中可以看出，每个基因都建立了自己的较小的工作工作空间。

一种稳健而灵活的基因控制体系

这两种新的机制揭示了单个DNA“工作空间”如何能够被轻易地修改以承载完全不同的基因活动。Ringel说，“研究不同层次的基因控制是如何相互补充的，这很吸引人。"我们对我们的基因组在不同情况下适应和控制基因的灵活性感到吃惊。例如，我们的研究结果表明，TAD可以有动态而非静态的DNA结构。”

Robson补充说，Fat1基因的TAD在从鱼和青蛙到有袋动物的数亿年进化过程中得到了稳定的维护。"他说，“TAD工作空间起初看起来很脆弱，因为如果它们受到干扰，会出很多问题。但是，新的基因必须去某个地方，我们展示了进化如何能够有效地修改调节结构域，以安全地增加新的基因和功能。”

Mundlos说，“有趣的是，这种进化环境反映了我们经常在染色体异常改变的患者身上看到的情况，比如染色体碎裂。这些患者可以有破碎的染色体，但仍然只有相对温和的症状。这可能能够通过这些额外的调节机制来解释，这些调节机制利用基因组所拥有的工具来补偿有害影响。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Alessa R. Ringel et al. Repression and 3D-restructuring resolves regulatory conflicts in evolutionarily rearranged genomes. Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.09.006.

2. How genes share their workspace
https://phys.org/news/2022-10-genes-workspace.html