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科學家繪製出最清晰立體人類基因組結構圖
改寫自科學網
有助於瞭解基因調節的更多資訊,而且肯定會帶來一系列新疑問
美國科學家通過將人類基因組分成數百萬個片段並重新排列組合,成功描繪出清晰度和解析度最高的基因組三維圖像。
據美國媒體報導,近日,美國科學家通過將人類基因組分成數百萬個片段並重新排列組合,成功描繪出清晰度和解析度最高的基因組三維圖像。該圖是引人入勝的分形體圖像,這種技術能幫助科學家探索基因組的形狀而不僅僅是其DNA含量對人類進化和疾病的影響。
多年以來,中、美、日、德、法、英等國科學家始終致力於人類基因組圖譜的研究。能夠更加清晰準確地描繪人類基因組構造,說明生命科學已經發展到了更深的階段,將推動基因組測序工作、功能基因的研究和基因技術的應用,從而推動整個生物技術的發展,也將對科技發展、經濟發展以及整個社會產生深遠影響。
“很明顯染色體的三維結構是調控基因組的關鍵因素,”麻州大學醫學院(University of Massachusetts Medical School)分子生物學家賈伯-戴克(Job Dekker)說:“清晰的三維圖像將有助於瞭解基因調節方面的更多資訊,而且肯定會帶來一系列新的疑問。”
根據經典生物學教科書的描述以及人們的共識,人類基因組就像23對染色體捆綁在一起的很多DNA和蛋白質,每一個細胞核內部都按照X形狀緊密排列。但只有細胞將要分裂的時候才是這樣,而其他時間,染色體排列更加緊密,並不斷移動。當然它們的DNA鏈也是聚集在一起的,假如基因組從頭到尾拉長的話,其長度可達 6英呎。
數十年來,許多細胞生物學家認為人類基因組的緊密結構並不僅僅是一種有效的儲存構造,而且與其基因功能和相互作用息息相關。然而這很難去驗證:一旦基因組形狀遭到破壞,電子顯微鏡將無法觀測到它活躍的表面。儘管已經瞭解人類基因組的組成部分,但其實際形狀始終是一個謎團。
4月份,一篇有關基因在接近染色體時的活動模式的論文發表於美國《國家科學院院刊》,提供了關於基因組形狀功能的有史以來最有說服力的證據,儘管當時研究者描繪的基因圖清晰度並不高。而10月9日發表於《科學Science》雜誌的最新圖譜則要詳盡得多。
“這將改變人們研究染色體的方式,就如同打開了神秘的黑匣子。我們以前不知道它們的內部構造,現在則能夠高清晰地進行觀察,努力研究基因結構與基因活力的關係,並探索細胞內部結構的變化。”戴克說。
為了在無法直接觀察的情況下確定基因組的結構,科學家最初將細胞核浸泡在甲醛溶液中,使其與DNA相互作用。甲醛將基因鏈上相互分離而在三維空間相互鄰近的基因緊密粘合在一起。然後科學家添加一種化學藥劑將緊緊排列在一起的基因鏈分解,但完整保留了甲醛鏈結。結果顯示許多基因都是成對排列,仿佛一個凍住的麵條球,被分切成一百多萬層碎片並混合在一起。
通過對基因對的研究,科學家分辨出在最初的基因組中哪些基因是互相鄰近的。利用軟體分析技術,科學家製作了一個基因組的數位雕像,那可是一個巧奪天工的作品。
“其中沒有任何結點,也沒有任何地方纏在一起。就像很多麵條不可思議地緊密排成一個大球,但是你能夠將某些麵條抽出或者再放回去,卻根本不會破壞它的結構。”哈佛大學計算生物學家埃雷斯-列伯曼(Erez Lieberman-Aiden)說。
從數學角度看,這些基因組片段按照接近于希爾伯特(Hilbert)曲線的方式排列。希爾伯特曲線是一種不經任何交叉和重疊而能填充滿一個平面正方形、繼而以同樣方式填充滿一個三維圖形的分形曲線(空間填充曲線),由大衛-希爾伯特(David Hilbert,1862-1943)在1891年提出。
研究者還發現染色體劃分為兩個區域,一個區域是活躍的基因,另一個是不活躍的基因,而不相交疊的彎曲結構使基因能夠輕易在兩個區域間自由移動。
科學家希望瞭解基因組形態是如何變化的。這種變化會在幹細胞變成成熟細胞過程中不斷發生。“在各種細胞類型結構中會發生多少變異?什麼在控制著變異出現?變異到底有多重要?這些我們都還沒搞清楚。”戴克說:“這可是一個嶄新的科學領域。”
Science原文論文
Comprehensive Mapping of Long-Range Interactions Reveals Folding Principles of the Human Genome
Science 9 October 2009:
Vol. 326. no. 5950, pp. 289 - 293
DOI: 10.1126/science.1181369
Erez Lieberman-Aiden,1,2,3,4,* Nynke L. van Berkum,5,* Louise Williams,1 Maxim Imakaev,2 Tobias Ragoczy,6,7 Agnes Telling,6,7 Ido Amit,1 Bryan R. Lajoie,5 Peter J. Sabo,8 Michael O. Dorschner,8 Richard Sandstrom,8 Bradley Bernstein,1,9 M. A. Bender,10 Mark Groudine,6,7 Andreas Gnirke,1 John Stamatoyannopoulos,8 Leonid A. Mirny,2,11 Eric S. Lander,1,12,13, Job Dekker5,
1 Broad Institute of Harvard and Massachusetts Institute of Technology (MIT), MA 02139, USA.
2 Division of Health Sciences and Technology, MIT, Cambridge, MA 02139, USA.
3 Program for Evolutionary Dynamics, Department of Organismic and Evolutionary Biology, Department of Mathematics, Harvard University, Cambridge, MA 02138, USA.
4 Department of Applied Mathematics, Harvard University, Cambridge, MA 02138, USA.
5 Program in Gene Function and Expression and Department of Biochemistry and Molecular Pharmacology, University of Massachusetts Medical School, Worcester, MA 01605, USA.
6 Fred Hutchinson Cancer Research Center, Seattle, WA 98109, USA.
7 Department of Radiation Oncology, University of Washington School of Medicine, Seattle, WA 98195, USA.
8 Department of Genome Sciences, University of Washington, Seattle, WA 98195, USA.
9 Department of Pathology, Harvard Medical School, Boston, MA 02115, USA.
10 Department of Pediatrics, University of Washington, Seattle, WA 98195, USA.
11 Department of Physics, MIT, Cambridge, MA 02139, USA.
12 Department of Biology, MIT, Cambridge, MA 02139, USA.
13 Department of Systems Biology, Harvard Medical School, Boston, MA 02115, USA.
* These authors contributed equally to this work.
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