计算机建模显示远距离 DNA 区域之间的近距离接触会导致基因活动爆发

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九州大学的研究人员揭示了 DNA 特定区域之间的空间距离与基因活动爆发之间的关联。研究人员利用先进的细胞成像技术和计算机建模，发现 DNA 的折叠和运动以及某些蛋白质的积累会根据基因是否活跃而发生变化。
该研究于 12 月 6 日发表在《科学进展》上，深入了解了复杂的基因表达世界，并可能为因基因表达调控不当引起的疾病带来新的治疗技术。
基因表达是细胞内发生的一个基本过程，主要包括两个阶段：转录（DNA 被复制到 RNA）和翻译（RNA 用于制造蛋白质）。每个细胞要在体内发挥其特定功能或对不断变化的环境作出反应，必须在正确的时间产生适量的蛋白质，这意味着必须小心地开启和关闭基因。
以前，人们认为基因转录是一个连续、平稳的过程。但随着观察单个细胞的技术越来越先进，科学家现在知道转录是在短暂、不可预测的爆发中发生的。
“基因会随机开启几分钟，并产生大量 RNA。然后，基因又会突然关闭，”九州大学生物调节医学研究所的 Hiroshi Ochiai 教授和这项研究的资深作者说。“这种情况发生在几乎所有基因中，也发生在所有生物中，从植物到动物到细菌。”
这种不稳定且动态的转录特性被称为转录爆发，是控制单个细胞基因活动的关键机制。这也是同一组织或培养环境中的细胞基因表达水平会发生变化的原因之一，这对于早期胚胎发育和癌症进化等过程至关重要。然而，爆发背后的确切机制仍不清楚。
在这项研究中，研究人员决定研究增强子和启动子的 DNA 序列的作用，以及它们的空间距离如何影响转录爆发。启动子通常位于基因旁边，是进行转录的蛋白质附着在 DNA 上的地方。另一方面，增强子通常距离基因有数十万个碱基，但随着 DNA 链的移动和折叠，增强子仍然可以在 3D 空间中靠近基因，从而放大基因活性。
Ochiai 表示：“我们认为增强子在转录活动爆发中起着至关重要的作用，但迄今为止，研究尚不明确。”
为了验证这个想法，Ochiai 和他的团队使用了一种名为 seq-DNA/RNA-IF-FISH 的先进成像技术，该技术用荧光探针标记 DNA、RNA 和特定蛋白质。
这种三层技术使研究人员能够同时捕捉单个小鼠胚胎干细胞中 DNA、RNA 和特定蛋白质在 3D 空间中的位置。利用这些信息，研究小组可以确定某些基因是开启还是关闭，观察启动子和增强子在活动爆发期间如何相互作用，以及蛋白质在哪里积累，这些细节达到了前所未有的水平。
举例来说，研究人员重点研究了一种名为 Nanog 的基因，它是 6 号染色体上一个 770,000 个碱基长度的 DNA，具有一个启动子和三个增强子区域，已知在培养的小鼠胚胎干细胞中经历转录爆发。
研究人员发现，在存在 Nanog RNA（即该基因处于活性状态）的细胞成像中，最远的增强子位于与 Nanog 基因的空间近距离处。相比之下，当 Nanog 处于非活性状态时，成像显示相同的增强子区域在物理上更远。
此外，科学家还发现，当 Nanog 活跃时，参与调节转录的蛋白质也会在增强子和启动子周围的区域聚集。
为了更好地理解这一机制，Ochiai 和他的团队使用计算机模型来模拟当 Nanog 基因处于活跃和非活跃状态时，DNA 的不同部分在细胞内如何相互作用和移动。
他们利用成像实验的数据开发了模型，绘制了 DNA 不同区域相互作用的频率以及 DNA 在空间中的折叠方式的“地图”。利用这张地图，该模型模拟了 DNA 链如何随机移动。
该模型预测，当基因处于活跃状态时，每个增强子区域与启动子相互作用的时间是基因非活跃状态时的两倍多。
该模型显示，这些较长时间的相互作用是由于 DNA 周围的“摩擦”而发生的。由于 Nanog 活跃时蛋白质和 RNA 的积累，流体变得更加粘稠，导致模拟的 DNA 链移动缓慢。因此，该基因能够保持更长时间的活跃。相比之下，当 Nanog 不活跃时，模拟的 DNA 移动得更快，这意味着启动子和增强子没有时间相互作用。
Ochiai 总结道：“模型表明，这些强化环路使爆破得以稳定。当然，这只是一个模拟。下一步是证明这种机制也发生在细胞中。”