這些DNA占據(jù)人體基因組的98%，但它們無(wú)法編碼蛋白質(zhì)，一度被認(rèn)為是“垃圾”……直到最近，這些非編碼區(qū)DNA在生命活動(dòng)和疾病中的作用才開(kāi)始受到重視。在一項(xiàng)發(fā)表于《細(xì)胞》雜志的研究中，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）任兵教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)就利用一段關(guān)鍵的非編碼區(qū)域，繪制出人類基因組單細(xì)胞染色質(zhì)圖譜，為我們理解眾多疾病的機(jī)制提供重要的數(shù)據(jù)支持。

21世紀(jì)初，人類對(duì)自身的認(rèn)知因?yàn)橐粋€(gè)規(guī)模浩大的國(guó)際合作項(xiàng)目而前進(jìn)了一大步。人類基因組計(jì)劃繪制出人體97%的基因組，這個(gè)偉大的項(xiàng)目為我們譜寫了一本鴻篇巨制的生命天書。不過(guò)人們也注意到，仍有大量生命現(xiàn)象無(wú)法通過(guò)這張人類基因組草圖得到解釋，這本天書里仍有大量等待填寫的空白。

一個(gè)重要原因在于，人體只有不到2%的基因組能夠編碼蛋白質(zhì)，直接指導(dǎo)一系列生命活動(dòng)；而超過(guò)98%的基因組都處于非編碼區(qū)，無(wú)法參與蛋白質(zhì)的編碼。很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，這些非編碼區(qū)DNA都是一個(gè)謎，因?yàn)樗鼈兛瓷先ヅc生命活動(dòng)沒(méi)什么關(guān)聯(lián)。因此，有人將它們稱作DNA中的“暗物質(zhì)”甚至是“垃圾”DNA。

直到最近幾年，科學(xué)家才逐漸意識(shí)到，這些DNA“暗物質(zhì)”雖然不直接參與蛋白質(zhì)的編碼，但它們與基因的表達(dá)與調(diào)控，以及一系列疾病的機(jī)理關(guān)系密切。

在非編碼區(qū)，由啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、調(diào)控序列和可誘導(dǎo)元件等組成的順式作用元件（cis-regulatory elements）極為重要。這個(gè)區(qū)域參與調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄過(guò)程，而順式作用元件上的突變，與包括糖尿病、阿爾茨海默病、自身免疫病在內(nèi)的多種疾病密切相關(guān)。

但是，人類基因組中順式作用元件圖譜的缺失，成為了我們理解非編碼區(qū)突變道路上的一大障礙。

一個(gè)名為DNA元件百科全書（簡(jiǎn)稱ENCODE）的國(guó)際合作項(xiàng)目，正試圖讓這些“暗物質(zhì)”撥云見(jiàn)日。ENCODE的一個(gè)重要目標(biāo)，便是解析非編碼區(qū)DNA的結(jié)構(gòu)與功能。

最近幾年，ENCODE項(xiàng)目已經(jīng)分別在人類和小鼠基因組中識(shí)別出了數(shù)十萬(wàn)個(gè)順式作用元件。不過(guò)此前的研究也存在局限性，那就是取樣的細(xì)胞類型極為有限。例如，人體的細(xì)胞類型有超過(guò)200種，而順式作用元件的生物學(xué)活性在不同類型的細(xì)胞中差異巨大。因此，只有對(duì)盡可能多的人體細(xì)胞類型進(jìn)行研究，才能獲取更為全面的順式作用元件圖譜。

在這項(xiàng)發(fā)表于《細(xì)胞》的最新研究中，任兵教授團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

通常情況下，染色質(zhì)中的組蛋白與DNA緊密纏繞，使得近2米長(zhǎng)的DNA可以被包裹在直徑10微米的細(xì)胞核中。只有在DNA進(jìn)行轉(zhuǎn)錄時(shí)，DNA才會(huì)脫離纏繞的狀態(tài)，裸露出需要與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的位點(diǎn)——而在轉(zhuǎn)錄過(guò)程起到關(guān)鍵作用的順式作用元件就很可能暴露在外，從而被單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)檢測(cè)出來(lái)，成為構(gòu)建染色質(zhì)圖譜的突破口。

在這項(xiàng)研究中，任兵教授團(tuán)隊(duì)利用高通量單細(xì)胞ATAC-seq測(cè)序技術(shù)，分析了來(lái)自30個(gè)不同的成年人組織類型的超過(guò)60萬(wàn)個(gè)人體細(xì)胞，這些細(xì)胞的數(shù)據(jù)構(gòu)建了一張單細(xì)胞染色質(zhì)圖譜。

▲來(lái)自成年人和胎兒的數(shù)據(jù)構(gòu)建了龐大的順式作用元件圖譜（圖片來(lái)源：參考資料[1]）

隨后，他們將上述數(shù)據(jù)與此前研究中來(lái)自胎兒的數(shù)據(jù)進(jìn)行了集成分析。最終從包含30個(gè)成人組織和15個(gè)胎兒組織的222種細(xì)胞類型中，研究團(tuán)隊(duì)識(shí)別出120萬(wàn)個(gè)順式作用元件, 約占人類基因組的15%。這份涵蓋了人體發(fā)育不同階段的龐大圖譜，可以為理解發(fā)育過(guò)程中的疾病，以及尋找致病基因奠定重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

此外，這項(xiàng)研究還通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析，明確了與240個(gè)疾病或多基因性狀相關(guān)的細(xì)胞類型，并且識(shí)別出順式作用元件中的突變的致病風(fēng)險(xiǎn)。這些寶貴的數(shù)據(jù)也將推動(dòng)更多關(guān)于人類疾病機(jī)制的研究。

值得一提的是，就在今年10月，任兵教授團(tuán)隊(duì)剛剛在《自然》雜志發(fā)表論文，繪制了小鼠大腦中順式作用元件的圖譜，并且揭示了這些順式作用元件與人類基因組的相似性或同源性。僅僅一個(gè)月后，任兵教授團(tuán)隊(duì)再次在頂級(jí)期刊發(fā)文，將戰(zhàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)移至人體。

注：原文有刪減

參考資料：

[1] Kai Zhang et al., A single-cell atlas of chromatin accessibility in the human genome. Cell (2021). https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.10.024

[2] Illuminating dark matter in human DNA. Retrieved Nov 12th, 2021 from https://phys.org/news/2021-11-illuminating-dark-human-dna.html

[3] Li, Y.E et al., An atlas of gene regulatory elements in adult mouse cerebrum. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03604-1