科学家揭示转录如何驱动基因组内的运动
一个科学家小组发现了基因活动、基因组包装和全基因组运动之间令人惊讶的联系，揭示了直接影响基因调控和表达的基因组组织方面。该研究结果发表在《自然通讯》杂志上，增强了人们对单个基因转录依赖性运动背后机制的理解，这些基因的功能障碍可能导致神经和心血管疾病以及癌症。
纽约大学物理学教授、这项研究的资深作者亚历山德拉·齐多夫斯卡 (Alexandra Zidovska) 解释道：“基因组受到单个基因转录驱动运动的‘搅动’。”
“基因的移动方式不同，这取决于它们是否被读取，从而导致人类基因组复杂、湍流般的运动。了解细胞核中单个基因转录依赖性运动背后的机制可能对于了解健康和疾病中的人类基因组至关重要。”
人类基因组由 2 米（6.5 英尺）长的 DNA 组成，这些 DNA 被包裹在细胞内一个直径仅为 10 微米的细胞核中，比基因组 DNA 的长度小 10 万倍。DNA 分子编码所有细胞过程和功能的信息，基因是信息单位。
不同的基因被读取，其信息在不同的时间被处理。当一个基因被读取时，有分子机制可以访问它并将其信息转录成 mRNA 分子，这一过程称为转录。
此前，Zidovska 和她的同事发现，基因组经历了大量的“搅动”或运动，导致其在细胞核内重组和重新定位。
然而，人们对这些运动的起源知之甚少。科学家们推测，由三磷酸腺苷(ATP) 分子驱动的分子马达是驱动力，ATP 分子为许多生物过程提供能量。
人们认为这些主动马达会对 DNA 施加力量，从而导致 DNA 和核质（其周围的液体）运动。但其背后更大的物理机制仍难以捉摸。
考虑到这一点，Zidovska 和她的同事们将重点放在了 RNA 聚合酶 II 上——它负责转录，是细胞核中最丰富的分子马达之一。当一个基因活跃时，即主动转录时，负责的分子机制会在 DNA 加工过程中对其施加力。
《自然通讯》的研究调查了单个主动转录基因的运动如何影响活体人类细胞中其周围基因组的运动。
为此，作者采用 CRISPR 技术对单个基因进行荧光标记，采用双色高分辨率活细胞显微镜来观察这些标记基因的运动，并采用位移相关光谱 (DCS) 同时绘制基因组在细胞核中的流动情况。
随后，高分辨率图像数据经过物理和数学分析，揭示出前所未有的基因在细胞内移动的物理图像。
在他们的研究中，研究人员首先检查了基因在非活性状态下的运动，然后“打开”这些基因，观察它们的运动在“活性”状态下如何变化。同时，作者使用 DCS 绘制周围基因组的流动图，监测基因激活前后基因组在细胞核中的流动情况。
总体而言，作者发现活跃基因对基因组的搅动运动有所贡献。通过同时绘制单基因和全基因组运动图谱，他们揭示出基因组的压缩会影响基因的贡献方式。
具体而言，运动相关性分析表明，单个活性基因驱动基因组在低压缩区域中的运动，但高压缩基因组驱动基因运动，无论其活动状态如何。
Zidovska 说：“通过揭示基因活动、基因组压缩和全基因组运动之间的意外联系，这些发现揭示了直接影响基因调控和表达的基因组时空组织的各个方面。”
这项工作也增强了我们对物理学的理解。
她评论道：“这项研究为活跃和生命系统的物理学提供了新的见解。通过揭示人类基因组等活跃生命系统的突发行为，它教会了我们新的物理学。”
该论文的其他作者包括纽约大学博士生 Fang-Yi Chu 和 Alexis S. Clavijo，以及纽约大学博士后研究员 Suho Lee。
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