在我們體內(nèi)，DNA被組蛋白卷繞，共同組成長鏈結(jié)構(gòu)。如果將一個細胞內(nèi)的DNA完全伸展開，其長度可以達到2米。但我們看到的是，如此豐富的遺傳物質(zhì)全部被塞在一個直徑只有微米級別的細胞核內(nèi)。DNA折疊機制，就是實現(xiàn)這一點的關(guān)鍵。

根據(jù)這一機制，在細胞內(nèi)，DNA長鏈折疊成眾多的環(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，在這個過程中，黏連蛋白起到了分子馬達的作用：這種蛋白將基因組片段向兩個方向不斷外擠。而CTCF扮演了終止符的角色：一旦遇到CTCF，“馬達”就將在這個方向停止運轉(zhuǎn)；而在兩個CTCF之間，“馬達”徹底停轉(zhuǎn)，這時被外擠的DNA片段就形成了穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

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

今天，在一項發(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)的研究團隊利用超分辨率活體細胞成像技術(shù)，實現(xiàn)了對環(huán)狀結(jié)構(gòu)動態(tài)過程的監(jiān)測。基于這項研究，作者提出，DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)比此前認為的更加動態(tài)、存在時間也更短。這一現(xiàn)象也向調(diào)控基因表達的傳統(tǒng)觀點發(fā)起了強有力的挑戰(zhàn)。

借助全新的技術(shù)手段，研究團隊通過熒光標(biāo)記CTCF的DNA位點后，能夠監(jiān)測DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)在2小時內(nèi)的動態(tài)變化。同時，借助新開發(fā)的計算機模擬手段，他們還能根據(jù)成像數(shù)據(jù)來推測環(huán)狀結(jié)構(gòu)的活動過程。

研究團隊對小鼠胚胎干細胞的一段DNA進行了成像分析。結(jié)果令人大跌眼鏡：這段DNA僅僅在3%~6%的時間內(nèi)是環(huán)狀結(jié)構(gòu)，并且這個環(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)的動態(tài)變化（圖片來源：參考資料[1]）

既然環(huán)狀結(jié)構(gòu)非常罕見，那么DNA片段通常處于什么狀態(tài)呢？這項研究給出的答案是：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（圖片來源：MIT）

而這項研究的結(jié)論是，DNA片段大約92%的時間都處于部分外擠的狀態(tài)，形成部分環(huán)狀結(jié)構(gòu)。因此研究團隊猜測，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，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DNA外擠的過程。

這項突破讓我們重新思考基因表達的調(diào)控因素，并且有望成為更多相關(guān)進展的開端。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，還有很多環(huán)狀結(jié)構(gòu)也是極其短壽的。因此，他們計劃將該手段應(yīng)用于研究不同細胞類型中的其他環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

同時，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)變化中的錯誤有關(guān)。對FOXG1基因中環(huán)狀結(jié)構(gòu)的研究，將為這些可能出現(xiàn)運動與認知障礙的患者帶來希望。

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