前所未有的基因调控观点

人类基因组的大部分是由调控区域组成的，这些调节区域控制着细胞内给定时间表达哪些基因。这些调控元件可以位于靶基因附近，也可以距离靶基因多达2万个碱基对。

为了实现相互作用，基因组在3D结构中循环，使遥远的区域靠近在一起。麻省理工学院的研究人员使用一种新技术表明，他们可以以比以前高100倍的分辨率绘制这些相互作用。

“使用这种方法，我们生成了有史以来最高分辨率的3D基因组图谱，我们看到的是增强子和启动子之间的许多相互作用，这是以前从未见过的，”Anders Sejr Hansen说，麻省理工学院生物工程的Underwood-Prescott职业发展助理教授和该研究的资深作者。“我们很高兴能够以我们的高分辨率揭示新的3D结构层。

研究人员的发现表明，许多基因与数十种不同的调控元件相互作用，尽管需要进一步研究以确定哪些相互作用对给定基因的调节最重要。

“研究人员现在可以负担得起地研究基因与其调节器之间的相互作用，不仅为我们打开了一个充满可能性的世界，也为已经对我们的方法表示兴趣的数十个实验室打开了一个充满可能性的世界，”麻省理工学院研究生Viraat Goel说。“我们很高兴能为研究界带来一种工具，帮助他们解开驱动基因调控的机制。

麻省理工学院博士后Miles Huseyin也是该论文的主要作者，该论文于今天(8月<>日)发表在Nature Genetics上。

高分辨率映射

科学家估计，超过一半的基因组由控制基因的调控元件组成，这些基因仅占基因组的2%左右。将遗传变异与特定疾病联系起来的全基因组关联研究已经确定了出现在这些调控区域中的许多变异。确定这些调控元件与哪些基因相互作用可以帮助研究人员了解这些疾病是如何产生的，以及潜在的如何治疗它们。

发现这些相互作用需要绘制当染色体被装入细胞核时基因组的哪些部分相互作用。染色体被组织成称为核小体的结构单元 - 紧紧缠绕在蛋白质周围的DNA链 - 帮助染色体适合细胞核的小范围内。

十多年前，一个包括麻省理工学院研究人员在内的研究小组开发了一种名为Hi-C的方法，该方法揭示了基因组被组织为“分形小球”，它允许细胞在避免打结的同时紧密包装其DNA。这种结构还允许DNA在需要时轻松展开和重新折叠。

为了进行Hi-C，研究人员使用限制性内切酶将基因组切成许多小片段，并在细胞核内的3D空间中生化连接彼此靠近的片段。然后，他们通过放大和测序来确定相互作用片段的身份。

虽然Hi-C揭示了基因组的整体3D组织，但它的分辨率有限，无法挑选出基因和调节元件(如增强子)之间的特定相互作用。增强子是DNA的短序列，可以通过与基因的启动子(转录开始的位点)结合来帮助激活基因的转录。

为了达到找到这些相互作用所需的分辨率，麻省理工学院的团队基于一种名为Micro-C的最新技术，该技术由马萨诸塞大学医学院的研究人员发明，由Stanley Hsieh和Oliver Rando领导。Micro-C 于 2015 年首次应用于出芽酵母，随后在 2019 年和 2020 年由加州大学伯克利分校和麻省大学医学院的 Hansen、Hsieh、Rando 等研究人员在《分子细胞》上发表的三篇论文应用于哺乳动物细胞。

Micro-C通过使用一种称为微球菌核酸酶的酶来切割基因组，从而实现比Hi-C更高的分辨率。Hi-C的限制性内切酶仅在随机分布的特定DNA序列上切割基因组，从而产生不同且尺寸较大的DNA片段。相比之下，微球菌核酸酶将基因组均匀地切割成核小体大小的片段，每个片段包含150至200个DNA碱基对。这种小片段的均匀性使Micro-C具有优于Hi-C的分辨率。

然而，由于Micro-C调查了整个基因组，这种方法仍然没有达到足够高的分辨率来识别研究人员想要看到的相互作用类型。例如，如果你想看看100个不同的基因组位点是如何相互作用的，你需要对至少100个基因组位点乘以100倍或10，000进行测序。人类基因组非常大，在核小体分辨率下包含约22万个位点。因此，整个人类基因组的Micro-C图谱至少需要22万次乘以22万次测序读数，成本超过1亿美元。

为了降低成本，该团队设计了一种对基因组相互作用进行更有针对性的测序的方法，使他们能够专注于包含感兴趣基因的基因组片段。通过关注跨越数百万个碱基对的区域，可能的基因组位点数量减少了一千倍，测序成本降低了一百万倍，降至约1，000美元。因此，这种称为区域捕获Micro-C(RCMC)的新方法能够以一小部分成本廉价地生成信息比其他已发布技术丰富100倍的地图。

“现在我们有一种以非常实惠的方式获得超高分辨率3D基因组结构图的方法。以前，它在财务上是如此难以获得，因为你需要数百万甚至数十亿美元才能获得高分辨率，“汉森说。“一个限制是你不能得到整个基因组，所以你需要知道你感兴趣的区域，但你可以获得非常高的分辨率，非常实惠。

许多互动

在这项研究中，研究人员专注于五个大小从数十万到大约2万个碱基对不等的区域，他们选择这些区域是因为以前的研究揭示了有趣的特征。其中包括一种名为Sox2的表征良好的基因，它在胚胎发育过程中的组织形成中起着关键作用。

在捕获和测序感兴趣的DNA片段后，研究人员发现了许多与Sox2相互作用的增强子，以及附近基因和以前未见过的增强子之间的相互作用。在其他地区，特别是那些充满基因和增强子的区域，一些基因与多达50个其他DNA片段相互作用，平均每个相互作用位点与大约25个其他基因片段相互作用。

“人们以前见过来自一个DNA点的多个相互作用，但它通常是两三个的数量级，所以看到这么多在差异方面非常显着，”Huseyin说。

然而，研究人员的技术并没有揭示所有这些相互作用是同时发生还是在不同时间发生，或者哪些相互作用是最重要的。

研究人员还发现，DNA似乎将自己卷入嵌套的“微隔室”中，以促进这些相互作用，但他们无法确定微隔室是如何形成的。研究人员希望对潜在机制的进一步研究可以揭示基因如何调节的基本问题。

“尽管我们目前还不知道是什么导致了这些微隔室，而且我们面前有所有这些悬而未决的问题，但我们至少有一个工具来真正严格地提出这些问题，”Goel说。