在我們體內(nèi)，DNA被組蛋白卷繞，共同組成長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)。如果將一個(gè)細(xì)胞內(nèi)的DNA完全伸展開(kāi)，其長(zhǎng)度可以達(dá)到2米。但我們看到的是，如此豐富的遺傳物質(zhì)全部被塞在一個(gè)直徑只有微米級(jí)別的細(xì)胞核內(nèi)。DNA折疊機(jī)制，就是實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的關(guān)鍵。

根據(jù)這一機(jī)制，在細(xì)胞內(nèi)，DNA長(zhǎng)鏈折疊成眾多的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。而這些環(huán)狀結(jié)構(gòu)的形成，離不開(kāi)兩種蛋白：黏連蛋白（cohesin）和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)蛋白CTCF。

此前的研究提出，在這個(gè)過(guò)程中，黏連蛋白起到了分子馬達(dá)的作用：這種蛋白將基因組片段向兩個(gè)方向不斷外擠。而CTCF扮演了終止符的角色：一旦遇到CTCF，“馬達(dá)”就將在這個(gè)方向停止運(yùn)轉(zhuǎn)；而在兩個(gè)CTCF之間，“馬達(dá)”徹底停轉(zhuǎn)，這時(shí)被外擠的DNA片段就形成了穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

科學(xué)界普遍認(rèn)為，DNA的環(huán)狀結(jié)構(gòu)是幫助細(xì)胞調(diào)控基因表達(dá)、促進(jìn)DNA修復(fù)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。此前的研究也在CTCF位點(diǎn)之間，觀察到了黏連蛋白調(diào)控的DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)。不過(guò)，這些研究存在一個(gè)不容忽視的缺陷：研究者只能獲得環(huán)狀結(jié)構(gòu)的靜態(tài)圖像，卻難以捕捉這一過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化。

今天，在一項(xiàng)發(fā)表于《科學(xué)》的研究中，由麻省理工學(xué)院（MIT）科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)利用超分辨率活體細(xì)胞成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)狀結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)過(guò)程的監(jiān)測(cè)?；谶@項(xiàng)研究，作者提出，DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)比此前認(rèn)為的更加動(dòng)態(tài)、存在時(shí)間也更短。這一現(xiàn)象也向調(diào)控基因表達(dá)的傳統(tǒng)觀點(diǎn)發(fā)起了強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)。

借助全新的技術(shù)手段，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)熒光標(biāo)記CTCF的DNA位點(diǎn)后，能夠監(jiān)測(cè)DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)在2小時(shí)內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化。同時(shí)，借助新開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)模擬手段，他們還能根據(jù)成像數(shù)據(jù)來(lái)推測(cè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)的活動(dòng)過(guò)程。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)小鼠胚胎干細(xì)胞的一段DNA進(jìn)行了成像分析。結(jié)果令人大跌眼鏡：這段DNA僅僅在3%~6%的時(shí)間內(nèi)是環(huán)狀結(jié)構(gòu)，并且這個(gè)環(huán)只能維持10~30分鐘。DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)占比之低、壽命之短，都與過(guò)往研究的預(yù)期大相徑庭。

▲研究揭示了DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化（圖片來(lái)源：參考資料[1]）

既然環(huán)狀結(jié)構(gòu)非常罕見(jiàn)，那么DNA片段通常處于什么狀態(tài)呢？這項(xiàng)研究給出的答案是：部分環(huán)狀結(jié)構(gòu)。所謂部分環(huán)狀結(jié)構(gòu)，就是DNA片段只有一端被CTCF固定，這時(shí)形成的是較小的環(huán)——以往的研究手段很難觀察到這樣的結(jié)構(gòu)。相對(duì)應(yīng)的，前文中更大的環(huán)，也被稱作完全環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

▲DNA片段未成環(huán)、部分環(huán)狀結(jié)構(gòu)與完全環(huán)狀結(jié)構(gòu)的示意圖（圖片來(lái)源：MIT）

而這項(xiàng)研究的結(jié)論是，DNA片段大約92%的時(shí)間都處于部分外擠的狀態(tài)，形成部分環(huán)狀結(jié)構(gòu)。因此研究團(tuán)隊(duì)猜測(cè)，這些部分環(huán)狀結(jié)構(gòu)在基因調(diào)控中，起到更重要的作用。換句話說(shuō)，首要的調(diào)控因素或許不是環(huán)狀結(jié)構(gòu)本身，而是黏連蛋白推動(dòng)DNA外擠的過(guò)程。

這項(xiàng)突破讓我們重新思考基因表達(dá)的調(diào)控因素，并且有望成為更多相關(guān)進(jìn)展的開(kāi)端。由于基因組中還存在大量其他環(huán)狀結(jié)構(gòu)，研究者猜測(cè)，還有很多環(huán)狀結(jié)構(gòu)也是極其短壽的。因此，他們計(jì)劃將該手段應(yīng)用于研究不同細(xì)胞類(lèi)型中的其他環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

同時(shí)，這一結(jié)論還有助于理解多種疾病。例如，染色體異常遺傳病FOXG1綜合征就可能與環(huán)狀結(jié)構(gòu)變化中的錯(cuò)誤有關(guān)。對(duì)FOXG1基因中環(huán)狀結(jié)構(gòu)的研究，將為這些可能出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)與認(rèn)知障礙的患者帶來(lái)希望。

參考資料：

[1] Michele Gabriele et al., Dynamics of CTCF and cohesin mediated chromatin looping revealed by live-cell imaging . Science (2022) DOI: 10.1126/science.abn6583

[2] Structures considered key to gene expression are surprisingly fleeting. Retrieved Apr. 14th, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/949735