|
传送门： 35岁的基因剪刀手张峰：生命也许是可编程的
2003年，科学家完成对人类基因组的测序工作，当时很多研究人员的关注焦点，是如何破译长长的A、T、G、C碱基序列，想通过此种途径，解开人类基因的奥秘。但在自然状态下，基因组并不是一长串简单排列的碱基。展开后的基因组，全长接近两米，然而它却通过反复盘绕，装进了直径不到10微米的细胞核内。近几年来，研究人员开始逐渐理解这种3D结构的重要性。打个比方，一本书里包含的信息再多，你每次也只能看到翻开的那两页。基因组也是一样，深藏在折叠处的指令是无法被细胞读取的。但让研究人员们不解的是，DNA是怎么折叠的，怎么确保重要的遗传信息能被读取到？今年早些时候，两个互相独立的研究团队都在DNA折叠领域迈出了一大步。两个团队都用一种强大的基因编辑工具，CRISPR（全名为“常间回文重复序列丛集”），来展开一个紧密盘绕的DNA片段。藉此，基因组3D结构的形成原因及方式，及其背后的一些基本规则，就可以渐渐浮出水面。这些研究还告诉我们，一些小小的DNA序列的存在，会导致基因组结构的巨大改变。起初，新研究试图解开X染色体的一个谜团：大多数雄性哺乳动物都有一条X染色体和一条Y染色体，而大多数雌性哺乳动物有两条X染色体。这给雌性生物细胞带来了潜在的问题：如果两条X染色体都处于激活状态，细胞内就会有双份染色体基因开启表达。这将导致各种发育问题，通常会导致胚胎在受精不久后死亡。为避免以上情况，其中一条X染色体会用一个“Xist基因”将自己去活化,这条无活性的X染色体就称为巴尔小体，非常之小。它会盘绕起来，将上面承载的几乎所有基因都隐藏起来，从而避免相应细胞机制将DNA转录为RNA，继而翻译成蛋白质。“两条X染色体中的一条失活，这是雌性发育的关键过程。”佛罗里达州立大学生物学家布莱恩·查德威克说，“两条X染色体之间的唯一区别，就在于它们的包装方式。”从步入学术生涯至今，查德威克就一直想要解开X染色体去活化之谜。通过对巴尔小体的研究，查德威克最终锁定了一个名为DXZ4的DNA序列，它可能是折叠的关键，该折叠关闭了其中一条X染色体上的大多数基因。查德威克团队研究的所有哺乳动物之中，凡是有一条X染色体去活化的，就都存在这样的序列。但DXZ4真是X染色体中的折叠小能手吗？查德威克又该如何验证这点呢？2014年，一条主要的线索出现了，而这条线索源于20多年前开始的一项工作。在上世纪90年代初的范德堡大学，马克·塞弗里德（Mark Seyfred）的实验室有一个博士生名叫凯瑟琳·卡伦（Katherine Cullen），她想了解一种名为“催乳素”的蛋白质，其作用是使雌性哺乳动物产奶。卡伦和塞弗里德认为，雌激素暴露会引发一系列事件，最终制造出巨型的DNA环，其中一端是催乳素基因的启动子，充当启动基因表达的开关，另一端是它的增强子，相当于打开开关的手指。 在基因组研究中，‘不看3D结构，一切都无从谈起。’当时，塞弗里德开发了一种名为“邻位连接测定”的新手段，卡伦就用它来搜寻这种环。第一步是用甲醛处理基因组。一经处理，在基因组的自然3D形态下，彼此靠近的DNA片段之间就会交联。从这些交联中可以看出，基因组的哪些部分在接触，虽然在抻直的状态下，这些序列可能相隔甚远。卡伦发现，雌激素暴露会使DNA上出现一个环，将催乳素的增强子和启动子连接起来。她的发现发表于1993年的《科学》（Science）期刊。卡伦的研究提供了一些最早期的直接证据，证明了基因组的宏观三维结构与其功能相关。“当时，我没怎么考虑基因组结构。那时候还没有这个术语呢。”卡伦说。埃雷兹·里伯曼·艾登（Erez Lieberman Aiden）十年之后，情况变了，她意外接到了埃雷兹·里伯曼·艾登的一通电话，当时，艾登是哈佛大学的一位访问学者，想进一步了解她使用的邻位连接测定法。艾登觉得，用这个办法单单研究一个基因，实在是太大材小用了。后来的几年，艾登（现为莱斯大学和贝勒医学院的计算生物学家），在马萨诸塞大学医学院生物学家乔布·德克尔（Job Dekker）的工作基础之上，创建了Hi-C系统，绘制出两个基因组片段彼此接触的概率。“我们碰到隔壁邻居的概率比碰到外国人的概率要大。研究中用到的也是同一个概念。”艾登说。“如果我们知道，基因组中谁和谁最容易碰面，我们就能知道这些区域有多接近，进而知道基因组在三维空间内的形状。”2009年，艾登及其同事发表了Hi-C初步实验的结果——一个模糊的基因组架构，最小分辨单位是100万个碱基对。从中，基因组那震撼人心的复杂性开始显现出冰山一角。“这些结果就像一张世界地图，只给出了几个大洲的大致轮廓。”在艾登实验室工作的研究生苏哈斯·拉乌（Suhas Rao）说。“根本没法靠它指路，但可以作为一个切入点。”接下去的几年里，艾登的实验室又不断提高Hi-C的精度，并于2014年，在《细胞》（Cell）期刊发表论文，记录下DNA的每一个环绕和盘旋结构，最小分辨单位缩小到1000个碱基对。如果说2009年的论文只描绘出了北美洲的模糊轮廓，那么新的Hi-C已经能够绘制出曼哈顿的路网。从这些细节之中，科学家们首次看到了基因组折叠规则背后的线索。艾登的Hi-C发现了数十亿个DNA接触点，但有一个区域脱颖而出。拉乌、艾登和同事们发现，在具备两条X染色体的雌性生物体细胞中，其中一条X染色体与其余染色体盘绕模式相同，有多个环状结构，每个包含约20万个碱基对；但那条去活化X染色体则与众不同，它有两个巨大的“超级域”，其中包含多个“超级环”，最多者有7700万个碱基对。为这些超级环提供锚点的是谁呢？是一种名为DXZ4的DNA序列——查德威克之前就已经发现，它对X染色体的折叠至关重要。在看到论文后，查德威克与艾登取得了联系，两人同意合作。理解分子的结构与功能之间的关系，这是生物化学界的经典问题。从20世纪60年代起，研究蛋白质的科学家们就掌握了解决之策：改变蛋白质中的一个氨基酸结构单元，然后检测蛋白质功能所受的影响。查德威克和艾登就想通过类似的手段，探究DNA序列和基因组结构之间的关系。跟许多遗传学实验室一样，他们也采用了CRISPR，一种类似于生物分子“剪刀”的基因组编辑工具。DXZ4是一个重复出现的DNA片段，绵延数十万个核苷酸。为证明DXZ4确实影响了基因组的折叠，研究团队用CRISPR剪切掉人类细胞中的DXZ4片段。在剪掉DXZ4之后，“那些大的环状结构消失了。那条X染色体越来越像是普通的常染色体，”艾登说，“这说明，我们可以精确控制基因组的折叠方式。”另一边，德克尔的实验室也显示，DXZ4在小鼠的去活化X染色体的折叠中起到关键作用。他们的研究还显示，Xist基因——使去活化X染色体盘绕起来的分子开关——参与构建了两个超级域的边界。德克尔的论文，以及艾登和查德威克的论文，都像希腊神话中的亚历山大大帝那样，抽出利剑，干脆利落地斩断了基因组的“戈耳狄俄斯之结”（比喻用非常规的方法解决本来不可解的问题）。 “整个染色体的结构都依赖于中间一个小小的DNA序列，真是不可思议。”荷兰乌特勒支大学生物医学遗传学家瓦奥特·德·拉特（Wouter de Laat）说。德拉特说，这些论文正在拓展我们的认知，揭示基因组折叠及其功能之间的密切联系。科学家们早就怀疑，异常的基因组折叠可能导致疾病，若干新研究都指出了基因组结构和生物发育之间的联系。今年，马克斯普朗克分子遗传学研究所的斯特凡·孟德洛斯（Stefan Mundlos）等人的一项研究表明，非编码区的DNA重排之后，染色质折叠被改变，进而引起发育期间的四肢畸形。还有的研究人员正在使用CRISPR，探究基因组结构变化能否影响锥虫（引发非洲昏睡病的寄生虫）绕过免疫系统的能力。现在，有一点越来越明显，在基因组研究中，“不看3D结构，一切都无从谈起。”德克尔说。
|
