DNA研究向3D时代迈进

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对DNA的比喻越来越多。这是一串代码，一个螺旋楼梯，现在它已经变成了类似折纸的东西。就像折叠一张扁平的纸可以把它变成一只鹤或者一朵莲花一样，研究人员开始意识到通过循环和折叠形成的复杂图案可以帮助把人类基因组转化成有意义的东西。这种弯曲和旋转可以使特定的基因与很远的DNA片段保持紧密接触，但可以调节这些基因的活动，激活产生骨骼、肌肉或脑细胞的基因表达，或者刺激癌症的发生。

这个想法的微妙性和潜力吸引了许多生物学家，但他们仍在试图获得足够好的数据来准确理解这些复杂的模式。去年12月，发表在《细胞》杂志网络版上的一份报告揭示了迄今为止最详细的关于插入细胞核中的两米长的DNA，即所谓的核小体，是如何折叠的。"一项划时代的研究。"对此，美国国家卫生研究院(NIH)院长弗朗西斯·柯林斯在博客中发表评论。

然而，四天后，发表在《基因与发展》杂志上的一篇文章报道说，不同的DNA作图技术有时会产生完全不同的模式，从而引发了对这些图究竟显示了什么的疑问。现在，通过一个新资助的名为4D核小体的美国国立卫生研究院项目，研究人员将开发一种更可靠、准确和经济的方法来绘制和解释基因组的细微折叠。麻省大学医学院的生物学家约伯·德克尔说，这个项目“邀请人们提出不同的更好的想法”。

在过去的20年里，来自德克萨斯州贝勒医学院的德克尔、艾雷兹·利伯曼·艾登和其他人利用染色体构象捕获等技术研究了三维状态下的基因组。研究人员可以通过化学手段“冻结”DNA链上不同片段连接的任何位置。然后他们切下所有的DNA，把连接在一起的DNA粘在一起。基于这两个区域之间的接触数量，研究人员可以估计这两个区域在三维状态下相距多远。

起初，研究人员能够一次观察一个基因及其伴侣，但很快更复杂的方法出现了。2009年，一项名为Hi-C的测序技术揭示了基因组中的每个DNA片段如何与所有其他片段相互作用。当时，贝勒医学院的Suhas Rao和哈佛大学的研究生Miriam Huntley都在艾登的实验室做研究。他们和他们的同事通过研究如何处理细胞核中的DNA，然后改进分析技术，将一个基因的分辨率从100多万个碱基降低到不到1000个碱基。

发表在《细胞》杂志上的这项耗资300万美元的实验产生了超过5万亿个测序碱基，并分析了来自8个细胞系的数百万个人类细胞和来自一个小鼠细胞系的细胞。数据显示了6个区域，其中聚集了10，000个环和具有相似化学修饰和基因活性水平的DNA。有些结构是所有被测细胞类型共有的，但有些是每个细胞特有的。"这开辟了一种看待生物学的新方法。"德克萨斯大学的分子生物学家Vishy Iyer说。

然而，正如《基因与发展》杂志上的论文所显示的，还有一个问题:基于直接观察DNA而不是计算机建模的不同核小体定位技术会产生相互矛盾的结果。英国爱丁堡大学的伊恩·威廉森、温迪·比克莫尔和他们的同事将荧光标记应用于各种DNA片段。在每个片段中使用不同的荧光探针，以便它们可以容易地区分彼此接近的片段。研究人员在小鼠2号染色体上观察到100万个碱基区域，其中包含一组在发育中起关键作用的Hox同源盒基因。为了比较，他们使用类似于hi-c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，有时两种技术获得的结果是一致的。然而，在某些情况下，一个会显示出DNA是直的，而另一个会显示出DNA相互缠绕形成一个紧密的球。“我们不知道为什么会发生这种情况，也不知道哪种方法是正确的。”德国柏林医疗系统生物学研究所的细胞生物学家Ana Pombo说，“我们需要仔细研究这些方法告诉我们什么。”

艾登说，他的实验室使用高-C技术获得的最新结果与显微镜下的发现一致。然而，“我们不会自欺欺人地认为高性能数据是最终目标。”“你会想进行多种测试，不管它们是相互确认还是相互矛盾。”艾登说。

这就是国家卫生研究院4D核小体项目的目的。2014年，国家卫生研究院宣布了这个为期5年、耗资2400万美元的年度项目。它将改进现有技术，并有望提出一些新技术。它被称为4D，因为核小体的结构随着细胞的老化、分化和分裂而改变。研究人员希望找到方法和原因。"目标是使这些技术广泛可用."马里兰州国家关节炎、肌肉骨骼和皮肤病学研究所的分子生物学家拉斐尔·卡塞拉斯说。德克尔还认为，研究人员非常需要这些技术。正如折纸只有折叠时才有生命力一样，“除了在三维状态下，我们的基因组中没有任何东西是有意义的。”德克尔说。(宗华)

中国科学新闻(2015-012第三版国际版)

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