DNA不打结的秘密
时间:2017-12-07

  脱氧核糖核酸不绑结 - 新闻 - 科学网络

  列昂尼德·米尔尼(Leonid Mirny)在一张办公椅上转过身来,抓住电脑的电源线,在手指周围放一个圆环大小的环,这是将蛋白质挤压成环的动态过程!技术兴奋地说。

  但是Mirny的兴奋不在于整理电脑配件,而是关于基因组的核心,大约两米的DNA被压缩到身体的几乎所有的细胞里,而没有被圣诞彩灯包裹

  他认为,DNA不断地通过循环运动蛋白,形成一个循环。这个过程被称为环形挤出,有助于定位DNA并使其与基因组的其余部分分开,甚至协助染色体塑造形状和结构。

  在过去的几十年中已经探索了类似的假设,但是在当代基因组三维结构发展的时代,贝勒医学院遗传学家Erez Lieberman Aiden提出的Mirny模型和类似模型使得这些假设在分子水平的细节已经上升到了一个新的高度,这些模型巧妙地解释了一些着名的遗传学研究项目的数据,因此备受关注。

  但是,这些简单的解释仍然存在争议。尽管已经确定环的基因组成调节基因表达并且可能与诸如细胞发育和癌症的疾病有关,但是这些模型的预测超出了现有实验观察的范围。

  首先,循环的分子机制仍然是一个谜。如果主要的候选蛋白质像Mirny所预测的那样是一个动力发动机,它将以前所未有的速度消耗能量。我的一位朋友,一位物理学家告诉我,这是你领域里的希格斯玻色子。 Mirny说这解释了基因组生物学最深奥的奥秘之一,但是可能需要数年时间才能得到验证。

  虽然Mirny的模型与Lieberman Aiden的模型非常相似,但确定谁是对的不仅仅是一个细节问题。英国牛津大学染色体研究人员纳斯米斯说,如果米尔尼是正确的话,那么这将是DNA酶领域的一场激进革命。现在什么样的环形成是现在基因组学中最大的挑战。

  基因进入环

  30多年前,遗传学家知道基因组可以形成循环,使得监管者更接近他们控制的基因,但是不清楚这些循环是如何形成的。

  多年来,一些研究者提出了不同的环形挤出理论。首先,美国贝克曼希望城市研究所(Beckman Institute for Hope City)遗传学家亚瑟·里格斯(Arthur Riggs)在1990年的一篇被忽视的论文中率先提出了DNA的概念。但是,纳斯米思是最早提出的,这是普遍接受的。

  根据Nasmyth,2000年的一天,他在意大利阿尔卑斯山登山后想出了这个想法。那时他和他的同事刚刚发现了循环粘附蛋白。这种蛋白质复合物的主要功能是在细胞分裂过程中帮助分离染色体拷贝。纳斯米思突然意识到,当她在玩登山工具时,染色体可能正在主动地穿过层粘连蛋白或相关的复合浓缩蛋白,就像绳子绕着钩子一样。这似乎解释了一切。他说。

  Nasmyth在一篇长达73页的综述中分几段描述了这个想法。没有人注意到它。他说。甚至连西北大学的生物物理学家约翰·马罗(John Marko)都没有注意到这一点。十多年来,他建立了一个与Nasmyth的书面论证相辅相成的数学模型。

  大约五年之后,米尔尼也加入了这个行列。他希望能解释他长期的合作者,麻省大学医学院的生物学家Job Dekker编辑的数据集。 Dekker已经使用Hi-C技术来发现不同位置染色体之间的物理相互作用。

  由Dekker和同事生成的Hi-C快照揭示了与200,000至1,000,000个碱基长度的离散DNA片段相互作用的不同的独特环。

  这些拓扑关联域(TAD)就像拥挤的火车上的汽车。人们可以走在同一辆车上,接触到其他乘客,但是只有通过车尾的车门才能与下一辆车上的乘客互动。人类基因组有高达30亿个核苷酸,但大多数相互作用发生在当地的TAD区域。

  其中,一个关键线索是CTCF蛋白。已经知道它与未凝固染色体每个环的底部的粘附素相互作用。 Mirny的模型假定CTCF是粘附蛋白的终止标志,如果粘附素仅在形成的环的每一侧遇到CTCF时才停止挤压DNA,则蛋白质自然结合在一起。

  旧金山加利福尼亚大学的生物物理学家Geoff Fudenberg表示,想出一个粘附蛋白驱动器是一个巨大的飞跃。没有人在活细胞中观察到这种运动蛋白,即使是在体外,但是通过这个原理,所有这些数据提出的不同特征都可以被调和。他说。

  多重发现

  利伯曼·艾登(Lieberman Aiden)提到,在2015年3月的一次电话会议上,他第一次有了一个压抑的想法。当时,他和他的导师博德研究所遗传学家埃里克兰德(Eric Lander)发表了当时最高分辨率,最详细的Hi-C人类基因组。

  在电话会议上,Lieberman Aiden试图解释数据中的一个奇怪的现象。几乎所有的CTCF结合环都具有相同的方向。他意识到,CTCF有一个固有的方向性,作为粉碎的结束标志。正如同样的司机不需要处理交叉路口上与前进方向不同的停车标志,除非终点标记处于正确的方向,否则环路挤压因子将始终通过CTCF现场。

  Lieberman Aiden的实验室通过系统地敲除CTCF结合位点并重新绘制了Hi-C染色体图谱来测试该模型,数据再次与模型匹配,2015年7月,团队在三个月内发表了他们的论文并发表。

  事实上,Mirny在2015年8月发表在bioRxiv上的文章使用计算机模拟来解释CTCF的方向偏好。这两种模式所作出的相同预测,导致有人猜测Lieberman Aiden的论文是否来自Mirny的论文。但是利伯曼·艾登坚持要他独立提出自己的模式。他说,我们在看到他们的手稿之前就提交了这篇文章。

  不过,这两种模式有一些细微差别。用于描述他的模型的漫画Mirny表明,粉碎过程是通过一系列粘连来完成的,而Lierberman Aiden的模型有两个戒指,这些戒指被戴在手链上。

  英国伦敦大学学院的细胞生物学家Suzana Hadjur说,这种机制上的细微差别对于确定粘附蛋白在挤压中的作用是绝对重要的。

  另外,Lieberman Aiden和Mirny对环形成过程中粘附蛋白的核心贡献持不同意见。 Mirny坚持认为蛋白质是这个循环背后的推动力,Lieberman Aiden反对他推测其他因素推动粘附蛋白运动的想法。

  细菌电池

  今年2月,可能是确认肌动蛋白发挥运动效应的最接近的测试结果。哈佛医学院的细菌细胞生物学家大卫·鲁德纳(David Rudner)及其同事制作了一个时间延迟的枯草杆菌Hi-C谱图。该图显示SMC(细菌中粘附和粘附蛋白的蛋白质复合物)沿着染色体被压缩,并以每分钟超过50,000个DNA碱基循环。这个比率与研究人员需要估计Mirny模型在人体细胞中的作用相当。

  虽然Rudner没有证明SMC在这个过程中使用了能量供应三磷酸腺苷(ATP),但他说如果肌动蛋白在人体细胞中的作用不同,他已经足够接近了。

  到目前为止,关于细胞内究竟做什么或者不做什么的争论还是猖獗的。许多研究人员,包括加州大学伯克利分校的细胞生物学家道格·考什兰(Doug Koshland)认为,对于米尔尼的信仰存在合理的怀疑,我担心环形挤压模型已经写入教科书中,尽管还没有时间。他说。

  此外,Mirny指出,虽然这可能看起来像专家之间的学术争论,但如果模型是正确的,将会对人们的生活产生影响,例如在癌症中,粘附素经常发生突变,CTCF位点发生变化。在一些人类发育障碍中也被发现,Mirny说如果环形挤压过程是这些疾病背后的原因,那么对运动蛋白的深入了解可能有助于解决这些问题。

  但他的主要兴趣仍然在基础上。他只是想明白为什么DNA会在现在组装起来。同时,虽然他的模型对层粘连蛋白做了很多假设,但问题是,除此之外,我不知道解释这些环的形成的任何其他方式。米尔尼说。 (张璋编)