DNA 在細(xì)胞核中被有規(guī)律地“組織”起來形成立體的三維結(jié)構(gòu)，這種組織結(jié)構(gòu)提供了基因表達(dá)調(diào)控以及細(xì)胞發(fā)育與分化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。但這種復(fù)雜卻很有規(guī)律的三維結(jié)構(gòu)是如何被建立起來的呢？近日，上海交通大學(xué)吳強課題組給出了一個關(guān)鍵的答案。 該研究發(fā)現(xiàn)一種被稱為 CTCF 的絕緣子結(jié)合蛋白識別其靶向 DNA 序列是具有方向性的，這種蛋白質(zhì)識別 DNA 的方向性決定了染色質(zhì)環(huán)化的方向性，從而形成染色質(zhì)高級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域，進(jìn)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(diào)控基因表達(dá)，可能與多種人類疾病相關(guān)。日前，國際自然科學(xué)領(lǐng)域三大期刊之一的《細(xì)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(jié)構(gòu)

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(rèn)識還遠(yuǎn)沒有完成，我們?nèi)蕴幵谌祟惢�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(rèn)識還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。只有認(rèn)識了人類基因組編碼的本質(zhì)規(guī)律，才能更好地推動轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究，最終實現(xiàn)人類疾病的精準(zhǔn)醫(yī)療。該研究為進(jìn)一步認(rèn)識三維基因組的結(jié)構(gòu)和功能以及疾病發(fā)生發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)，將推動轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究，對疾病的臨床精準(zhǔn)醫(yī)療具有重要意義。

人類基因組包含十幾萬個絕緣子結(jié)合蛋白 CTCF 結(jié)合位點，CTCF 蛋白通過結(jié)合這些位點參與建立復(fù)雜而有序的 DNA 相互作用網(wǎng)絡(luò)。由于 CTCF 在 DNA 調(diào)控元件之間進(jìn)行染色質(zhì)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(dǎo)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(xì)胞核中 3D 三維基因組的高級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。課題組利用前期開發(fā)的 DNA 片段 CRISPR 遺傳編輯技術(shù)，通過原位反轉(zhuǎn) 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(zhì)識別 DNA 調(diào)控元件的方向性決定了染色質(zhì)高級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(dá)模式。隨后，課題組在珠蛋白基因簇中進(jìn)行了進(jìn)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(jìn)行特異性長距離染色質(zhì)環(huán)化，形成特異的染色質(zhì)高級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域，即基因組的線性一級結(jié)構(gòu)能夠決定其立體高級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。最后，利用計算生物學(xué)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

人類三維基因組立體結(jié)構(gòu)調(diào)控基因時空表達(dá)模式與疾病息息相關(guān)

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(xì)胞核內(nèi)，以完成所有的基因組“編碼”功能�；�因組的時空表達(dá)模式?jīng)Q定了組織器官的正常發(fā)育，而基因表達(dá)調(diào)控與三維基因組結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，包括癌癥和自閉癥、精神分裂癥、抑郁癥等遺傳性相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展都可能與不正常的三維基因組結(jié)構(gòu)引起基因表達(dá)調(diào)控失調(diào)相關(guān)，因此研究三維基因組結(jié)構(gòu)是國家重大需求和國際科學(xué)前沿，但我們對人類三維基因組結(jié)構(gòu)的認(rèn)識才剛剛起步。

人類基因組的 DNA 序列中蘊藏著遠(yuǎn)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(xué)技術(shù)的輔助下，充分“解讀”DNA 遺傳信息已成為可能。當(dāng)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(yù)防、甚至精準(zhǔn)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(zhì)高級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(rèn)識形成反差，具有概念性進(jìn)展。該研究還揭示了絕緣子保障增強子通過啟動子調(diào)控組織和細(xì)胞特異性基因表達(dá)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(diào)控組織或細(xì)胞特異性基因表達(dá)模式。

該研究進(jìn)一步闡明了在細(xì)胞核內(nèi)的物理空間上決定基因調(diào)控元件中絕緣子、增強子或沉默子、啟動子的關(guān)系，以及基因表達(dá)調(diào)控的分子機制。DNA 遺傳信息決定了 CTCF 蛋白的結(jié)合方向，CTCF 結(jié)合方向決定了染色質(zhì)環(huán)化的方向，從而決定了染色質(zhì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域和基因組的三維高級結(jié)構(gòu)。該研究獲得同行評審專家的高度評價，認(rèn)為這一基因組三維高級結(jié)構(gòu)組裝機制的發(fā)現(xiàn)是一項重要工作，是認(rèn)識三維基因組結(jié)構(gòu)的第一步，具有原始創(chuàng)新性。

系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)研究院吳強課題組前期建立了比較生物醫(yī)學(xué)研究平臺，能夠高效、快速、精確地對小鼠基因組 DNA 片段進(jìn)行遺傳編輯，包括反轉(zhuǎn)基因調(diào)控元件、敲除基因簇、重復(fù) DNA 片段等，可以研究基因表達(dá)調(diào)控機理和蛋白質(zhì)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(chǔ)上，主要由博士研究生郭亞和碩士研究生許泉同學(xué)在吳強教授的指導(dǎo)下完成，研究團(tuán)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(xiàn)。本項目研究和發(fā)表過程中得到陳竺和張杰的關(guān)心。本研究還得到哥倫比亞大學(xué)、冷泉港實驗室、加州大學(xué)圣地亞哥分校、清華大學(xué)和德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校的合作，并受得科技部和基金委資助。