研究复杂基因组相互作用的新工具

直到 1980 年代，拥有黑白电视机的人直到获得彩色电视机后才知道自己失去了什么。柏林医学系统生物学研究所马克斯德尔布吕克中心 (MDC-BIMSB) 的研究人员开发了一种称为基因组结构图 (“GAM”) 的技术，可以深入基因组并了解基因组学领域可能会发生类似的转变它具有光彩夺目的色彩。 Pombo 实验室在Nature Methods上发表的一项新研究报告称，GAM 揭示了基因组空间结构的相关信息，而这些信息仅使用 Hi-C 是科学家无法看到的，Hi-C 是 2009 年开发的一种用于研究 DNA 相互作用的主力工具。

“使用黑白电视，你可以看到形状，但一切看起来都是灰色的，”分子生物学家兼表观遗传调控和染色质结构实验室负责人 Ana Pombo 教授说。“但如果你有一台彩电，看看花，你就会意识到它们是红色、黄色和白色的，而我们却没有意识到这一点。同样，我们还没有意识到基因组在三维空间中折叠方式的信息。”

了解 DNA 组织可以揭示健康和疾病的基础。我们的细胞将 2 米长的基因组装入直径大约 10 微米的细胞核中。包装是精确完成的，以便调节 DNA 在正确的时间与正确的基因接触并打开和关闭它们。三维配置的变化会破坏这个过程并导致疾病。

“我们很早就知道疾病会在家族中遗传，”该研究的共同第一作者、牛津大学分子生物学家 Robert Beagrie 博士说，他曾在 Pombo 实验室工作。“最近，我们开始了解到，这种倾向在很大程度上是因为我们从父母那里继承了 DNA 序列变异，这些变异会影响我们基因的开启和关闭方式。”

GAM 提供更复杂的信息

Hi-C 和 GAM 等技术使科学家能够冻结和研究调控序列和基因之间的相互作用。在 Hi-C 中，使用酶将染色质切成碎片，然后再次粘合在一起，从而在测序时揭示双向 DNA 相互作用。在 GAM 中，Pombo 团队于 2017 年首次在《自然》杂志上进行了描述，科学家们获取了数百个细胞核薄片，每个细胞核都来自单个细胞，并从中提取 DNA。他们对 DNA 进行测序并对数据进行统计分析以了解哪些区域相互作用。

使用这种技术，该团队创建了三维交互图。当他们将其与使用 Hi-C 创建的现有基因组 3D 图进行比较时，他们发现了许多新颖的相互作用。这让他们感到困惑，直到他们意识到他们正在使用 GAM 看到更复杂的相互作用，多个 DNA 区域同时聚集在一起。“这些更复杂的接触包含活性基因、调控区域和超级增强子，它们调节决定细胞身份的重要基因，”该研究的共同第一作者、Pombo 实验室的高级博士后研究员 Christoph Thieme 博士说。

相比之下，Hi-C 捕获的主要是双向交互。这两种技术是互补的，因为使用 Hi-C 看不到 GAM 检测到的三分之二的接触，反之亦然。

“看到我们发现了一个非常强大的效应，我感到非常兴奋，”Beagrie 说。“很明显，这些复杂的相互作用比我们以前认为的要普遍得多。”