DNA 在細胞核中被有規(guī)律地“組織”起來形成立體的三維結構，這種組織結構提供了基因表達調控以及細胞發(fā)育與分化的結構基礎。但這種復雜卻很有規(guī)律的三維結構是如何被建立起來的呢？近日，上海交通大學吳強課題組給出了一個關鍵的答案。 該研究發(fā)現(xiàn)一種被稱為 CTCF 的絕緣子結合蛋白識別其靶向 DNA 序列是具有方向性的，這種蛋白質識別 DNA 的方向性決定了染色質環(huán)化的方向性，從而形成染色質高級拓撲結構域，進而“輔助”一維線性的 DNA 元件“自組裝”成立體的三維基因組，并調控基因表達，可能與多種人類疾病相關。日前，自然科學領域三大期刊的《細胞 Cell》雜志發(fā)表了該研究成果。

一維基因組遺傳信息編碼三維基因組立體結構

十幾年前人類基因組計劃測序的工作就已全部完成，但是我們對于人類基因組的認識還遠沒有完成，我們仍處在人類基因組時代，而不是后人類基因組時代。人類基因組編碼的遺傳信息決定了組織器官發(fā)育和大腦功能，但是我們對人類基因組 30 億堿基對序列中蘊藏的遺傳信息的認識還遠遠不夠。只有認識了人類基因組編碼的本質規(guī)律，才能更好地推動轉化醫(yī)學研究，*終實現(xiàn)人類疾病的精準醫(yī)療。該研究為進一步認識三維基因組的結構和功能以及疾病發(fā)生發(fā)展奠定了重要基礎，將推動轉化醫(yī)學研究，對疾病的臨床精準醫(yī)療具有重要意義。

人類基因組包含十幾萬個絕緣子結合蛋白 CTCF 結合位點，CTCF 蛋白通過結合這些位點參與建立復雜而有序的 DNA 相互作用網(wǎng)絡。由于 CTCF 在 DNA 調控元件之間進行染色質環(huán)化中起到重要的連接作用，其被形象的稱為“基因組的紡織工”。那么 CTCF 介導特異性 DNA 相互作用的分子機制是怎樣的呢？

該研究揭示了細胞核中 3D 三維基因組的高級拓撲結構是如何由 1D 一維基因組中成千上萬的 DNA 元件組裝的，也就是說一維基因組的線性 DNA 序列信息能夠編碼三維基因組的立體結構。課題組利用前期開發(fā)的 DNA 片段 CRISPR 遺傳編輯技術，通過原位反轉 CTCF 位點，發(fā)現(xiàn)在原鈣粘蛋白基因簇中，CTCF 蛋白識別其靶向 DNA 元件具有方向性，這種蛋白質識別 DNA 調控元件的方向性決定了染色質高級拓撲結構域的建立和增強子與基因啟動子的特異性相互作用，并影響基因的時空表達模式。隨后，課題組在珠蛋白基因簇中進行了進一步的原位 DNA 片段遺傳操作，發(fā)現(xiàn)位于上游正向的 CTCF 位點與位于下游反向的 CTCF 位點的 DNA 序列能夠進行特異性長距離染色質環(huán)化，形成特異的染色質高級拓撲結構域，即基因組的線性一級結構能夠決定其立體高級拓撲結構。*后，利用計算生物學方法揭示這個一維基因組線性 DNA 序列決定三維基因組高級拓撲結構的自然規(guī)律在整個人類基因組中具有普適性�？傊�，該研究工作該揭示了 1D 一維基因組中線性 DNA 元件的位置和方向”編碼“3D 三維基因組的立體高級拓撲結構。

人類三維基因組立體結構調控基因時空表達模式與疾病息息相關

人類基因組的 30 億堿基對大約有 2 米長，卻有規(guī)律的折疊在直徑約 5 微米的細胞核內，以完成所有的基因組“編碼”功能�；�因組的時空表達模式?jīng)Q定了組織器官的正常發(fā)育，而基因表達調控與三維基因組結構密切相關，包括癌癥和自閉癥、精神分裂癥、抑郁癥等遺傳性相關疾病的發(fā)生發(fā)展都可能與不正常的三維基因組結構引起基因表達調控失調相關，因此研究三維基因組結構是國家重大需求和科學前沿，但我們對人類三維基因組結構的認識才剛剛起步。

人類基因組的 DNA 序列中蘊藏著遠超出我們所想象的信息。在如基因組遺傳編輯、高通量測序等現(xiàn)代生物學技術的輔助下，充分“解讀”DNA 遺傳信息已成為可能。當能夠真正“讀懂”人類基因組遺傳信息含義的時候，我們就能夠“游刃有余”地預防、甚至精準治療許多疾病或發(fā)育異常。

該研究揭示了在染色體自然狀態(tài)中帶有 CTCF 位點的增強子的方向決定染色質高級拓撲結構的形成和增強子與基因啟動子的特異性環(huán)化，過去的研究利用報告基因檢測方法發(fā)現(xiàn)基因的增強子不具有方向性，因此該研究與過去的認識形成反差，具有概念性進展。該研究還揭示了絕緣子保障增強子通過啟動子調控組織和細胞特異性基因表達的分子機制。從另一個角度來說，一維基因組的 DNA 遺傳信息“編碼”了三維基因組中特異性的基因增強子與基因啟動子相互作用，從而調控組織或細胞特異性基因表達模式。

該研究進一步闡明了在細胞核內的物理空間上決定基因調控元件中絕緣子、增強子或沉默子、啟動子的關系，以及基因表達調控的分子機制。DNA 遺傳信息決定了 CTCF 蛋白的結合方向，CTCF 結合方向決定了染色質環(huán)化的方向，從而決定了染色質的拓撲結構域和基因組的三維高級結構。該研究獲得同行評審專家的高度評價，認為這一基因組三維高級結構組裝機制的發(fā)現(xiàn)是一項重要工作，是認識三維基因組結構的步，具有原始創(chuàng)新性。

系統(tǒng)生物醫(yī)學研究院吳強課題組前期建立了比較生物醫(yī)學研究平臺，能夠高效、快速、精確地對小鼠基因組 DNA 片段進行遺傳編輯，包括反轉基因調控元件、敲除基因簇、重復 DNA 片段等，可以研究基因表達調控機理和蛋白質在體功能（Li et al., JMCB., 2015; Jia et al., MCB., 2014）。本研究建立在前期工作基礎上，主要由博士研究生郭亞和碩士研究生許泉同學在吳強教授的指導下完成，研究團隊其他成員在實驗過程中積極參與協(xié)作，并做出重要貢獻。本項目研究和發(fā)表過程中得到陳竺和張杰的關心。本研究還得到哥倫比亞大學、冷泉港實驗室、加州大學圣地亞哥分校、清華大學和德克薩斯大學達拉斯分校的合作，并受得科技部和基金委資助。