華中農(nóng)大最新綜述：三維基因組學
日期：2014-05-20 09:07:21
人類基因組測序完成已有十多年. 但是, 基因組信息如何指導基因在特定空間和時間表達的機理仍有待闡明. 最近的研究表明, 基因組的三維空間結(jié)構(gòu)對基因組的表達、 調(diào)控等功能有重要的影響. 因此, 研究全基因組的三維空間結(jié)構(gòu)和功能成為基因組學一個新發(fā)展趨勢。
來自華中農(nóng)業(yè)大學生命科學技術學院的研究人員近期介紹了這一研究領域的發(fā)展，概括了三維基因組學研究中的問題和目前的進展, 并討論了可能的應用前景。
近二十多年來, 基因組學從啟動至今, 經(jīng)歷了兩次大的發(fā)展浪潮. 第一次基因組學發(fā)展浪潮以人類基因組計劃為代表. 從 1990 年到 2003 年, 該計劃對人類基因組進行了測序, 定義了人類基因組中的主要基因及其線性結(jié)構(gòu), 同時極大地發(fā)展了基因組測序技術, 為其他物種的研究提供了基礎, 并開啟了基因組學時代。
第二次基因組學發(fā)展浪潮以“人類基因組百科全書計劃”為代表. 從 2003 年開始, 該計劃對人類基因組 DNA 序列進行系統(tǒng)地解讀和注釋, 分析了 147 個人體組織細胞類型, 發(fā)現(xiàn)人類基因組中 80%的序列是可以被轉(zhuǎn)錄的, 其中包括大量的未知基因序列, 而且發(fā)現(xiàn)了幾十萬個不同的基因調(diào)控元件, 并對基因表達和染色質(zhì)狀態(tài)進行了定義。
在有了基因組序列、調(diào)控元件和相關的注釋以后, 科學家們發(fā)現(xiàn), 這些離散的調(diào)控元件并不能有效地解釋很多基因的調(diào)控結(jié)果和機制. 科學家們面臨一個迫切需要解決的問題: 基因組中的調(diào)控元件是如何相互作用, 從而起到對基因表達的調(diào)控.
“結(jié)構(gòu)決定功能”是認識自然規(guī)律中的一個共識. 在生物學中, 這一共識不僅適用于 RNA、蛋白質(zhì)等小規(guī)模的有機分子, 同樣也應該適用于全基因組這樣的DNA大分子. 最近的研究表明, 基因組的三維空間結(jié)構(gòu)對基因組的表達、 調(diào)控等功能有重要的影響. 因此, 研究全基組的三維空間結(jié)構(gòu)和功能成為基因組學一個新發(fā)展趨勢.
基因組三維空間結(jié)構(gòu)與功能的研究簡稱三維基因組學, 是指在考慮基因組序列、基因結(jié)構(gòu)及其調(diào)控元件的同時, 對基因組序列在細胞核內(nèi)的三維空間結(jié)構(gòu), 及其對基因轉(zhuǎn)錄、復制、修復和調(diào)控等生物過程中功能的研究.
生物學家對細胞核三維結(jié)構(gòu)的研究很早就開始了. 1885 年 Rabl 就觀察到細胞核中存在著不同的染色體區(qū)域, 而后的很多實驗和近代的熒光染色技術及顯微技術證實了細胞核中存在不同的結(jié)構(gòu)，但是相關的研究一直不夠深入, 同時缺乏微觀的證據(jù). 這一現(xiàn)象一直持續(xù)到染色質(zhì)構(gòu)象捕獲(chromatin con-formation capture, 3C)技術的出現(xiàn)。
染色質(zhì)構(gòu)象捕獲技術是由 Job Dekker 及其合作者最先提出的, 用于測定特定的點到點之間的染色質(zhì)交互作用. 之后, 科學家們擴展了 3C 技術. 兩個不同的小組同時開發(fā)了 4C技術, 用于測定一點到多點之間染色質(zhì)交互作用, Dostie 等人開發(fā)了 5C 技術, 用于測定多點到多點之間的染色質(zhì)交互作用. 為了能捕獲全基因組范圍的染色質(zhì)相互作用, Job Dekker研究組在馬薩諸塞大學開發(fā)出了Hi-C技術, 阮一駿教授研究組在新加坡基因組研究院開發(fā)出了染色質(zhì)遠程交互測序(Chromatin Interaction Analysis with Paired-End TagSequencing, ChIA-PET)技術，具體內(nèi)容見最新Nature：基因組新技術。
Hi-C 和 ChIA-PET 也是 3C 的衍生技術, 都是基于將線性距離遠、 空間結(jié)構(gòu)近的 DNA 片段進行交聯(lián),并將交聯(lián)的 DNA 片段富集, 接著進行高通量測序,對測序數(shù)據(jù)分析可以揭示染色質(zhì)的遠程相互作用,從而推導出基因組的三維空間結(jié)構(gòu)和可能的基因之間的調(diào)控關系.
應用這些技術, 可以測定不同的調(diào)控元件和它們目標基因之間的相互作用, 從而解釋相關的生物學問題. 現(xiàn)在, ChIA-PET 技術已經(jīng)成功應用在人類的癌細胞, 以及小鼠的胚胎干細胞、神經(jīng)祖細胞和 B 細胞等研究中, 產(chǎn)生了大量的染色質(zhì)交互作用數(shù)據(jù), 并發(fā)現(xiàn)了不同的染色質(zhì)交互作用類型, 包括增強子和啟動子之間的交互作用、 啟動子和啟動子之間的交互作用. 還有一些研究也將 ChIA-PET 技術應用到小鼠肢體細胞和人類 T 細胞中, 研究增強子和啟動子的交互作用.
文章指出，基因組學研究從一維到二維, 再到三維， 在有了豐富的一維和二維基因組數(shù)據(jù)后, 科學家們的視線正在從一維基因組學和二維基因組學向三維基因組學轉(zhuǎn)移. 我們知道, 所有生物的基因表達和調(diào)控都是在細胞核這一物理的三維空間結(jié)構(gòu)中進行的. 要真實地理解基因的表達和調(diào)控, 不僅要了解不同調(diào)控元件和它們目標基因之間的調(diào)控關系, 同時也要知道它們的物理空間位置和相互關系, 從三維空間結(jié)構(gòu)的角度去理解它們的功能。
