摘要：DNA的折疊和運(yùn)動(dòng)，以及某些蛋白質(zhì)的積累，取決于基因是活躍還是不活躍。
日本福岡——九州大學(xué)的研究人員揭示了DNA特定區(qū)域之間的空間距離是如何與基因活動(dòng)的爆發(fā)聯(lián)系在一起的。利用先進(jìn)的細(xì)胞成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)建模，研究人員表明，DNA的折疊和運(yùn)動(dòng)，以及某些蛋白質(zhì)的積累，取決于基因是活躍還是不活躍。這項(xiàng)研究發(fā)表在12月6日的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上，揭示了基因表達(dá)的復(fù)雜世界，并可能為基因表達(dá)調(diào)節(jié)不當(dāng)引起的疾病帶來(lái)新的治療技術(shù)。
基因表達(dá)是發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)的一個(gè)基本過(guò)程，主要有兩個(gè)階段：轉(zhuǎn)錄（DNA被復(fù)制成RNA）和翻譯（RNA被用來(lái)制造蛋白質(zhì)）。為了讓每個(gè)細(xì)胞在體內(nèi)發(fā)揮其特定的功能，或者對(duì)不斷變化的環(huán)境做出反應(yīng)，必須在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間產(chǎn)生適量的蛋白質(zhì)，這意味著必須小心地打開(kāi)和關(guān)閉基因。
圖1 轉(zhuǎn)錄爆發(fā)過(guò)程中基因組區(qū)域鄰近性的轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)變化以前，基因轉(zhuǎn)錄被認(rèn)為是一個(gè)連續(xù)的、平穩(wěn)的過(guò)程。但隨著更好的技術(shù)來(lái)觀察單個(gè)細(xì)胞，科學(xué)家們現(xiàn)在知道轉(zhuǎn)錄發(fā)生在短時(shí)間內(nèi)，不可預(yù)測(cè)的爆發(fā)。
“一個(gè)基因會(huì)隨機(jī)開(kāi)啟幾分鐘，大量的RNA會(huì)產(chǎn)生。然后，基因會(huì)突然再次關(guān)閉，”來(lái)自九州大學(xué)生物調(diào)控醫(yī)學(xué)研究所的Hiroshi Ochiai教授說(shuō)，他是該研究的資深作者。“它發(fā)生在幾乎所有基因和所有生物中，從植物到動(dòng)物再到細(xì)菌。”
這種不穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)錄性質(zhì)，被稱(chēng)為轉(zhuǎn)錄爆發(fā)，是控制單個(gè)細(xì)胞中基因活性的關(guān)鍵機(jī)制。這就是為什么同一組織或培養(yǎng)環(huán)境中的細(xì)胞在基因表達(dá)水平上表現(xiàn)出差異的原因之一，這對(duì)早期胚胎發(fā)育和癌癥進(jìn)化等過(guò)程至關(guān)重要。然而，爆炸背后的確切機(jī)制仍然未知。
在這項(xiàng)研究中，研究人員決定研究被稱(chēng)為增強(qiáng)子和啟動(dòng)子的DNA序列的作用，以及它們的空間距離如何影響轉(zhuǎn)錄爆發(fā)。啟動(dòng)子通常位于基因旁邊，是執(zhí)行轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)附著在DNA上的地方。另一方面，增強(qiáng)子通常距離基因數(shù)十萬(wàn)個(gè)堿基，但隨著DNA鏈的移動(dòng)和折疊，增強(qiáng)子仍然可以在三維空間中靠近基因，從而放大基因活性。
Ochiai說(shuō)：“我們相信增強(qiáng)子在轉(zhuǎn)錄在活動(dòng)爆發(fā)中發(fā)生的原因中起著至關(guān)重要的作用，但到目前為止，研究還不清楚。”
為了驗(yàn)證這個(gè)想法，Ochiai和他的團(tuán)隊(duì)使用了一種稱(chēng)為seq-DNA/RNA-IF-FISH的先進(jìn)成像技術(shù)，該技術(shù)可以用熒光探針標(biāo)記DNA， RNA和特定蛋白質(zhì)。這種三層技術(shù)允許研究人員同時(shí)在單個(gè)小鼠胚胎干細(xì)胞的三維空間中捕獲DNA、RNA和特定蛋白質(zhì)的位置。有了這些信息，研究小組可以確定某些基因是開(kāi)啟還是關(guān)閉，看到啟動(dòng)子和增強(qiáng)子在活動(dòng)爆發(fā)時(shí)如何相互作用，以及蛋白質(zhì)在哪里積聚，以前所未有的細(xì)節(jié)水平。
作為一個(gè)例子，研究人員專(zhuān)注于一種名為Nanog的基因，這是6號(hào)染色體上長(zhǎng)度為77萬(wàn)個(gè)堿基的DNA，它有一個(gè)啟動(dòng)子和三個(gè)增強(qiáng)子區(qū)域，已知在培養(yǎng)的小鼠胚胎干細(xì)胞中會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)錄破裂。
圖2 轉(zhuǎn)錄活性狀態(tài)特異性基因組鄰近性
研究人員發(fā)現(xiàn)，在Nanog RNA存在的成像細(xì)胞中（這意味著該基因是活躍的），距離最遠(yuǎn)的增強(qiáng)子位于Nanog基因附近的空間。相反，當(dāng)Nanog不活躍時(shí)，成像顯示相同的增強(qiáng)子區(qū)域在物理上更遠(yuǎn)。
此外，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Nanog活躍時(shí)，參與調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)也在增強(qiáng)子和啟動(dòng)子周?chē)膮^(qū)域積累。
為了更好地理解這一機(jī)制，Ochiai和他的團(tuán)隊(duì)使用計(jì)算機(jī)建模來(lái)模擬DNA的不同部分是如何在細(xì)胞內(nèi)相互作用和移動(dòng)的，無(wú)論Nanog基因是活躍的還是不活躍的。
他們通過(guò)使用成像實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來(lái)開(kāi)發(fā)他們的模型，以繪制DNA不同區(qū)域相互作用的頻率以及DNA在空間中如何折疊的“地圖”。利用這張地圖，該模型隨后模擬了DNA鏈如何隨機(jī)移動(dòng)。
該模型預(yù)測(cè)，當(dāng)處于激活狀態(tài)時(shí)，每個(gè)增強(qiáng)子區(qū)域與啟動(dòng)子相互作用的時(shí)間是基因不活躍時(shí)的兩倍多。
該模型顯示，這些較長(zhǎng)時(shí)間的相互作用是由于DNA周?chē)摹澳Σ痢倍l(fā)生的。當(dāng)Nanog活躍時(shí)，由于蛋白質(zhì)和RNA的積累，液體變得更加粘稠，導(dǎo)致模擬的DNA鏈移動(dòng)緩慢。因此，這種基因能夠在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持活躍。相比之下，當(dāng)Nanog不活躍時(shí)，模擬DNA移動(dòng)得更快，這意味著啟動(dòng)子和增強(qiáng)子沒(méi)有時(shí)間相互作用。
“模型表明，由于這些強(qiáng)化循環(huán)，爆炸是穩(wěn)定的，”O(jiān)chiai總結(jié)道。“當(dāng)然，這只是一個(gè)模擬。下一步是證明這種機(jī)制也發(fā)生在細(xì)胞中。”
參考資料
[1] Transcription-coupled changes in genomic region proximities during transcriptional bursting
摘要：DNA的折疊和運(yùn)動(dòng)，以及某些蛋白質(zhì)的積累，取決于基因是活躍還是不活躍。
日本福岡——九州大學(xué)的研究人員揭示了DNA特定區(qū)域之間的空間距離是如何與基因活動(dòng)的爆發(fā)聯(lián)系在一起的。利用先進(jìn)的細(xì)胞成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)建模，研究人員表明，DNA的折疊和運(yùn)動(dòng)，以及某些蛋白質(zhì)的積累，取決于基因是活躍還是不活躍。這項(xiàng)研究發(fā)表在12月6日的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上，揭示了基因表達(dá)的復(fù)雜世界，并可能為基因表達(dá)調(diào)節(jié)不當(dāng)引起的疾病帶來(lái)新的治療技術(shù)。
基因表達(dá)是發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)的一個(gè)基本過(guò)程，主要有兩個(gè)階段：轉(zhuǎn)錄（DNA被復(fù)制成RNA）和翻譯（RNA被用來(lái)制造蛋白質(zhì)）。為了讓每個(gè)細(xì)胞在體內(nèi)發(fā)揮其特定的功能，或者對(duì)不斷變化的環(huán)境做出反應(yīng)，必須在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間產(chǎn)生適量的蛋白質(zhì)，這意味著必須小心地打開(kāi)和關(guān)閉基因。
圖1 轉(zhuǎn)錄爆發(fā)過(guò)程中基因組區(qū)域鄰近性的轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)變化以前，基因轉(zhuǎn)錄被認(rèn)為是一個(gè)連續(xù)的、平穩(wěn)的過(guò)程。但隨著更好的技術(shù)來(lái)觀察單個(gè)細(xì)胞，科學(xué)家們現(xiàn)在知道轉(zhuǎn)錄發(fā)生在短時(shí)間內(nèi)，不可預(yù)測(cè)的爆發(fā)。
“一個(gè)基因會(huì)隨機(jī)開(kāi)啟幾分鐘，大量的RNA會(huì)產(chǎn)生。然后，基因會(huì)突然再次關(guān)閉，”來(lái)自九州大學(xué)生物調(diào)控醫(yī)學(xué)研究所的Hiroshi Ochiai教授說(shuō)，他是該研究的資深作者。“它發(fā)生在幾乎所有基因和所有生物中，從植物到動(dòng)物再到細(xì)菌。”
這種不穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)錄性質(zhì)，被稱(chēng)為轉(zhuǎn)錄爆發(fā)，是控制單個(gè)細(xì)胞中基因活性的關(guān)鍵機(jī)制。這就是為什么同一組織或培養(yǎng)環(huán)境中的細(xì)胞在基因表達(dá)水平上表現(xiàn)出差異的原因之一，這對(duì)早期胚胎發(fā)育和癌癥進(jìn)化等過(guò)程至關(guān)重要。然而，爆炸背后的確切機(jī)制仍然未知。
在這項(xiàng)研究中，研究人員決定研究被稱(chēng)為增強(qiáng)子和啟動(dòng)子的DNA序列的作用，以及它們的空間距離如何影響轉(zhuǎn)錄爆發(fā)。啟動(dòng)子通常位于基因旁邊，是執(zhí)行轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)附著在DNA上的地方。另一方面，增強(qiáng)子通常距離基因數(shù)十萬(wàn)個(gè)堿基，但隨著DNA鏈的移動(dòng)和折疊，增強(qiáng)子仍然可以在三維空間中靠近基因，從而放大基因活性。
Ochiai說(shuō)：“我們相信增強(qiáng)子在轉(zhuǎn)錄在活動(dòng)爆發(fā)中發(fā)生的原因中起著至關(guān)重要的作用，但到目前為止，研究還不清楚。”
為了驗(yàn)證這個(gè)想法，Ochiai和他的團(tuán)隊(duì)使用了一種稱(chēng)為seq-DNA/RNA-IF-FISH的先進(jìn)成像技術(shù)，該技術(shù)可以用熒光探針標(biāo)記DNA， RNA和特定蛋白質(zhì)。這種三層技術(shù)允許研究人員同時(shí)在單個(gè)小鼠胚胎干細(xì)胞的三維空間中捕獲DNA、RNA和特定蛋白質(zhì)的位置。有了這些信息，研究小組可以確定某些基因是開(kāi)啟還是關(guān)閉，看到啟動(dòng)子和增強(qiáng)子在活動(dòng)爆發(fā)時(shí)如何相互作用，以及蛋白質(zhì)在哪里積聚，以前所未有的細(xì)節(jié)水平。
作為一個(gè)例子，研究人員專(zhuān)注于一種名為Nanog的基因，這是6號(hào)染色體上長(zhǎng)度為77萬(wàn)個(gè)堿基的DNA，它有一個(gè)啟動(dòng)子和三個(gè)增強(qiáng)子區(qū)域，已知在培養(yǎng)的小鼠胚胎干細(xì)胞中會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)錄破裂。
圖2 轉(zhuǎn)錄活性狀態(tài)特異性基因組鄰近性
研究人員發(fā)現(xiàn)，在Nanog RNA存在的成像細(xì)胞中（這意味著該基因是活躍的），距離最遠(yuǎn)的增強(qiáng)子位于Nanog基因附近的空間。相反，當(dāng)Nanog不活躍時(shí)，成像顯示相同的增強(qiáng)子區(qū)域在物理上更遠(yuǎn)。
此外，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Nanog活躍時(shí)，參與調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)也在增強(qiáng)子和啟動(dòng)子周?chē)膮^(qū)域積累。
為了更好地理解這一機(jī)制，Ochiai和他的團(tuán)隊(duì)使用計(jì)算機(jī)建模來(lái)模擬DNA的不同部分是如何在細(xì)胞內(nèi)相互作用和移動(dòng)的，無(wú)論Nanog基因是活躍的還是不活躍的。
他們通過(guò)使用成像實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來(lái)開(kāi)發(fā)他們的模型，以繪制DNA不同區(qū)域相互作用的頻率以及DNA在空間中如何折疊的“地圖”。利用這張地圖，該模型隨后模擬了DNA鏈如何隨機(jī)移動(dòng)。
該模型預(yù)測(cè)，當(dāng)處于激活狀態(tài)時(shí)，每個(gè)增強(qiáng)子區(qū)域與啟動(dòng)子相互作用的時(shí)間是基因不活躍時(shí)的兩倍多。
該模型顯示，這些較長(zhǎng)時(shí)間的相互作用是由于DNA周?chē)摹澳Σ痢倍l(fā)生的。當(dāng)Nanog活躍時(shí)，由于蛋白質(zhì)和RNA的積累，液體變得更加粘稠，導(dǎo)致模擬的DNA鏈移動(dòng)緩慢。因此，這種基因能夠在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持活躍。相比之下，當(dāng)Nanog不活躍時(shí)，模擬DNA移動(dòng)得更快，這意味著啟動(dòng)子和增強(qiáng)子沒(méi)有時(shí)間相互作用。
“模型表明，由于這些強(qiáng)化循環(huán)，爆炸是穩(wěn)定的，”O(jiān)chiai總結(jié)道。“當(dāng)然，這只是一個(gè)模擬。下一步是證明這種機(jī)制也發(fā)生在細(xì)胞中。”
參考資料
[1] Transcription-coupled changes in genomic region proximities during transcriptional bursting
