Cell重大成果：人類基因組3D圖譜

日期：2012-02-09 09:07:40

去年受聘為華中農大“千人計劃”專家的阮一駿教授，其研究組一直從事基因組空間結構方面的研究，曾建立了世界先進的基因組學研究方法體系----全基因組雙末端標記測序系統（Paired-End-Tag，簡稱PET）。近期其研究組發表了題為“Extensive Promoter-Centered Chromatin Interactions Provide a Topological Basis for Transcription Regulation”的文章，揭示了基因如何相互作用影響，包括遠程相互作用的機制，這將有利于科學家們深入了解人類基因工作的原理，以及探索相關疾病的遺傳機制。這一成果公布在Cell雜志上。

真核生物的染色體是由一系列各自獨立，又高度有序的染色質結構域構成。這些結構域就是一些獨立的基因表達調控單位，在真核生物的基因表達調控扮演著重要的角色，比如DNA拓撲結構變化、DNA堿基修飾變化、組蛋白變化等都具有重要的調控作用。但是至今科學家們對于染色體構架在基因調控中的作用，了解得還很少。

在這篇文章中，研究人員利用阮一駿教授開發的新技術：ChIA-PET，完成了一項重要的基礎性研究工作，揭示了人類細胞中基因調控的一些基礎性機制。

ChIA-PET (Chromatin Interaction Analysis using Paired End Tag sequencing)分析方法是一種新型的測序方法，其中PET是一種革新性的基因測序方法，這種方法能幫助解決新一代測序平臺閱讀長度較短的缺點問題，利用多種應用的配對末端標簽測序——PET測序，從超高通量測序的常DNA片段末端引出短的配對標簽，從而就能精確地繪制基因組。

目前不少研究表明，遠離基因的基因組區域在調控疾病方面的重要作用，那么這是如何實現的呢，研究人員認為染色質相互作用，即DNA上的三維折疊幫助這些距離遠的區域調控基因表達。為了證實這一觀點，阮一駿教授研究組進行了長期持續的研究分析。

這項新發現就揭示出，雖然人類基因組中的基因相互相隔甚遠，但是相關的基因實際上能通過長距離的染色體相互作用，以及高度有序的染色體構架，有序的進行組織。這表明人類細胞中存在一種類似細胞操縱系統的拓撲學機制，能幫助轉錄調控，而這種拓撲調控機制也有助于解析人類基因中的遺傳元素。

美國聯合基因組研究所主任Edward Rubin評論這一成果，認為“這項由阮一駿博士完成的研究成果”,“解決了基因之間，以及開啟或者關閉基因的人類基因組元件之間，如何相互溝通的基礎性問題。他們利用一種稱為ChIA-PET的DNA圖譜技術，從三維結構上揭示了人類基因組中基因，如何在恰當的時間里相互影響，基因激活的。我認為這項成果將會很快從基礎科研文獻中，進入課本，幫助學生們更好的理解人類基因組的操控原理。而ChIA-PET技術，作為人類基因組探索的‘望遠鏡’，也將成為一種具有創新性，重要的分子分析工具。”

人類基因組功能元件的深入理解，需要對個體基因組和染色體結構的詳細巡查和比對，這就需要對DNA測序的通量和花費進行改進。新一代測序平臺將是低花費和高通量的，但其閱讀長度較短。這一限制的直接和普遍認可的解決方法就是多種應用的配對末端標簽測序，簡稱為PET測序，從超高通量測序的常DNA片段末端引出短的配對標簽。PET測序能夠精確地繪制參考基因組，區別PET所在DNA片段的基因組邊界和鑒定靶DNA片段。PET測序法已經發展為轉錄組，轉錄因子結合位點和染色體結構分析。PET測序技術的獨特優點在于能夠暴露DNA片段兩末端的連接處。由于該優點，PET測序可以解釋非傳統的融合轉錄物，染色體結構變化，甚至分子相互作用。