动辄2米长的DNA,为什么不像耳机线那样容易打结?

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2017-05-31 21:01

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一个简单的过程似乎能解释庞大的基因组是如何保持有序的,但人们无法就这一过程由何驱动达成一致。
Leonid Mirny在办公椅上转了一圈,抓起自己笔记本电脑的电源线。他用手指绕出了一个甜甜圈大小的环,兴奋地坐立难安:“这就是马达蛋白不断挤压成环的动态过程!”Mirny说。他是美国麻省理工学院的一位生物物理学家。
Mirny兴奋的原因并不是将电脑配件收拾整齐。他讨论的问题是基因组的一个核心组织原则——约两米长的DNA是如何压缩到人体的几乎每个细胞中,而没有像去年的圣诞彩灯一样缠成一团乱麻的。
他认为,DNA不断穿过环状的马达蛋白,从而形成了环。这一过程被称为环挤压,它有助于将DNA局部区域维系在一起,与基因组的其它部分分开,甚至还协助了染色体形成一定的形状和结构。
DNA环有助于将基因组局部区域维系在一起。M. Imakaev/G. Fudenberg/N. Naumova/J. Dekker/L. Mirny
过去几十年来,科学家也探讨过相似的假说,但在基因组3D结构研究爆炸式发展的当代,Mirny的模型,以及美国贝勒医学院的遗传学家Erez LiebermanAiden提出的一个类似的模型,让这些假说在分子细节层面上升到了新的高度。这些模型巧妙地解释了一些知名研究项目的数据(这些项目的研究对象是基因组的各部分是如何在物理上相互作用的­),并因此备受关注。
然而,这些简单的解释仍然存在争议。尽管我们日益明确基因组成环会调控基因表达,并且可能与细胞发育和癌症等疾病相关,但这些模型的预测已经超出了现有的实验观测结果的范围。
首先,成环的分子机制仍然是个谜。如果主要的候选蛋白如同Mirny所预测的那样充当动力“马达”,那它就会以前所未见的速度消耗能量。“我的一个物理学家朋友告诉我,‘这就是你的领域中的希格斯玻色子’,”Mirny说;它能解释基因组生物学最深层的奥秘之一,但可能需要多年时间才能获得验证。
尽管Mirny的模型与Lieberman Aiden的模型极为相似(两者间的区别十分深奥难懂),但辨清谁才是正确的并不仅仅是个细节问题。如果Mirny是正确的,“这就将是DNA酶学界一场彻底的革命,”英国牛津大学的染色体前沿研究者Kim Nasmyth说。他补充说,究竟是什么驱动了环的形成“是目前基因组生物学领域最大的难题”。
基因成环的研究历程
三十多年前,遗传学家就知道基因组可以形成环,使调控因子接近它们所控制的基因,但并不清楚这些环是如何形成的。
多年来,一些研究者分别提出了环挤压理论的不同版本。第一个提出类似观点的是美国希望之城贝克曼研究所的遗传学者Arthur Riggs,在一篇被忽视的1990年论文中,他率先提出被他称为“DNA成卷”的想法。但人们普遍认为首先提出这一概念的是Kim Nasmyth。
按照Nasmyth的说法,2000年的某一天,他在意大利阿尔卑斯山区登了一天的山后产生了这个想法。那时,他和他的同事刚刚发现环状的黏连蛋白,这种蛋白复合体的主要作用是在细胞分裂时帮助分离染色体拷贝。在摆弄自己的登山工具时,Nasmyth突然意识到,染色体可能是主动穿过黏连蛋白、或者相关的复杂凝缩蛋白的,就像绳子绕过登山扣一样。“这似乎解释了一切,”他说。
前期染色体通过环挤压进行压缩和分离:模型简示。MirnyLab
在一篇长达73页的综述中,Nasmyth用几个段落描述了这个想法。“根本没人注意到它,”他说——就连美国西北大学的生物物理学家John Marko也没有对此提起注意——正是他在十多年之后建立起了与Nasmyth文字论证相补充的数学模型。
大约五年后,Mirny也加入了为DNA环建模的行列。他希望能解释生物学家Job Dekker编制的数据集。Dekker是他的一位长期合作者,就职于美国麻省大学医学院。Dekker一直在利用Hi-C技术寻找染色体不同位置间的物理相互作用,在这一方法中,科学家测序相邻的小段DNA,生成每个染色体的图谱,通常以状如分形的“棋盘”形式:沿主对角线颜色最深的方块代表相互作用最密切的位置。
Dekker和他的合作者生成的Hi-C快照揭示出了明显呈不同区隔的环,其相互作用发生在20~100万碱基长的离散DNA片段间。
这些“拓扑关联结构域”(TAD)就像一列拥挤的火车上的车厢。人们能在同一节车厢中走动,接触其他乘客,但只有穿过车厢尽头的门才能与相邻车厢的乘客互动。人类基因组长达30亿核苷酸,但大多数相互作用发生在局部TAD区域内。
当时,Mirny和他的团队已经努力了一年多,试图利用计算机模拟来解释TAD的形成。随后,Mirny碰巧参加了一场学术会议,会上,Marko谈起了他当时还未发表的环挤压模型(Marko创造了这个术语,并沿用至今)。这正是Mirny想寻找的答案中的缺失一环。他们尝试了环挤压模型,发现它真的奏效。形成环的物理作用能让局部区域保持有序,模型也再现出了Hi-C图谱中的许多精细特征。
2015年8月,Mirny和他的同事在bioRxiv预印本平台上发布了他们完成的手稿,他们谨慎地使用了一个宽泛的术语,将该模型描述为“环挤压因子”。但文章并没有回避对其具体身份的猜测:分裂期细胞成环过程的驱动力是黏连蛋白,此时的染色体呈松散状。此后,他们在另一篇文章中提出,在染色体紧密缠绕的细胞分裂期间,凝缩蛋白发挥了同样的作用。
一个关键的线索是CTCF蛋白。人们已经知道,它在未凝集染色体的每个环的基部与黏连蛋白相互作用。很久以来,研究者都认为环是在这些CTCF蛋白随机相遇并结合时在DNA上形成的。但如果任意两个CTCF蛋白都能配对,为什么这些环只形成于局部,而不会在相隔遥远的位点间形成?
Mirny的模型假设CTCF是黏连蛋白的一个终止标志。如果黏连蛋白只在正在形成的环的每一侧都遇到CTCF时才停止挤压DNA,蛋白就会自然而然地结合在一起。
前期染色体通过环挤压进行压缩和分离:模拟黏连。MirnyLab
然而,提出黏连蛋白发挥了驱动作用是“一个巨大的跨越”,生物物理学家Geoff Fudenberg说。他在Mirny的实验室完成了博士学业,现在就职于加州大学旧金山分校。“没有人曾在活细胞中,甚至体外观察到过这些马达蛋白发挥这样的作用,”他说。“但我们发现,利用这一原理,数据所呈现出的所有不同特征都能得到统一。”
举例来说,实验结果表明,细胞中黏连蛋白量的减少会导致形成的环减少。过度活跃的黏连蛋白则会产生大量的环,导致染色体被压成小蠕虫状的结构。
上述研究的作者在解释自己的结果时遇到了困难。然后,Mirny的文章在bioRxiv上发布了。“有史以来第一次,一篇预印本真正改变了人们在这个领域思考问题的方式”,英国医学研究委员会伦敦医学研究所的细胞生物学家Matthias Merkenschlager说。(Mirny团队的研究成果最终于2016年5月发表在了Cell Reports上。)
多重发现?
Lieberman Aiden说,他在2015年3月的一个电话会议中首次产生了环挤压的想法。在那时,他和自己前导师,美国博德研究所的遗传学家Eric Lander已经发表了当时分辨率最高、最为详细的Hi-C人类基因组图谱。
在电话会议中,Lieberman Aiden试图解释自己的数据中一个奇怪的现象。几乎所有锚定环的CTCF结合点都有着相同的方向。他意识到,作为挤压的终止标志,CTCF具有固有的方向性。正如同司机不必理会交叉路口中与他们的前进方向不同的停车标志,环挤压因子也会一直通过CTCF位点,除非终止标志朝向的是正确的方向。
他的实验室通过系统敲除CTCF结合位点测试了这一模型,并重新绘制了Hi-C染色体图谱。得到的数据再一次与模型吻合。2015年7月,团队投出了他们的论文,并在三个月后发表。
Mirny于2015年8月在bioRxiv发布的文章并没有得到同等水平的实验验证,但用计算机模拟解释了CTCF的方向偏好。事实上,两种模型做出了同样的预测,这使得一些人猜测Lieberman Aiden的想法是不是来自Mirny的论文。但Lieberman Aiden坚称自己独立提出了他的模型。“我们在看到他们的手稿前就提交了文章,”他说。
两个模型间存在微小的差别。Mirny用来描述他模型的漫画显示,挤压过程由一个黏连蛋白的环完成,而Lierberman Aiden的模型中有两个呈手铐状连接的环(参见“驯服缠结”一图)。英国伦敦大学学院的细胞生物学家Suzana Hadjur称,在确定黏连蛋白在挤压过程中扮演的角色时,这一机制上的细微差别“绝对是基础性的”。
Nik Spencer/Nature
有关这一系统使用了一个还是两个环,Lieberman Aiden 和Mirny都没有特别强烈的观点,但他们在黏连蛋白在环形成过程中的核心贡献上持有不同意见。Mirny坚持该蛋白是成环的驱动力,而Lieberman Aiden基本上反对这种观点。他认为黏连蛋白“只是个大甜甜圈”,它的作用并没有那么大。“它能够开合,但我们非常、非常确定黏连蛋白本身并不是驱动力。”
相反,他猜测是其它因子在驱动黏连蛋白移动,领域内的许多研究者对此表示认同。荷兰伊拉斯姆斯大学医学中心的分子生物物理学家Claire Wyman指出,目前,人们已知黏连蛋白仅仅在结合和释放DNA的过程中消耗少量能量,因此,认为它能沿着染色体、按Mirny的模型所需的速度驱动成环有些牵强。她说:“我愿意承认这是有可能性的,但就算拿魔力8球占卜,它也会说‘一切迹象都表明不是’。”
RNA聚合酶可能是驱动这一过程的一类蛋白,它是将DNA模板翻译成RNA的酶。在发表于《自然》的一项研究中,奥地利分子病原学研究所的染色体生物学家Jan-Michael Peters以及他的同事发现,在将基因翻译成RNA的过程中,RNA聚合酶能使黏连蛋白沿基因组长距离移动。“RNA聚合酶可能是驱动环挤压的动力之一,”Peters说。但他也补充表示,数据显示它并不是唯一的驱动力。
伦敦弗朗西斯克里克研究所的生物化学家Frank Uhlmann提供了另外一种解释,这种解释完全不需要马达蛋白的参与。在他看来,黏连蛋白复合体沿着DNA随机滑动,直到遇到一个CTCF位点并形成环。Uhlmann说,此模型仅需要相邻DNA发生随机作用,其可能性要大得多。他说:“我们不需要对没有实验证据的行为做出任何假设。”
研究者正试图为这两个模型收集实验证据。在美国劳伦斯利物莫国家实验室,生物物理学家Aleksandr Noy正试图在试管中观测环挤压作用。他只放入了三种原料:DNA,一些提供能量的三磷酸腺苷(ATP),以及细菌中与黏连蛋白和凝缩蛋白等效的蛋白复合体SMC。
“我们观察到了DNA被压缩成带环的花朵状的证据,”Noy说。他和Mirny在这个项目上也有合作。这说明SMC(扩展来说,还有黏连蛋白)可能充当了马达的角色。但它也可能并没有这种功能。“事实是,我们现在还无从知晓,”Noy说。
细菌电池
可能最接近于证实黏连蛋白发挥着马达作用的实验结果发表于今年二月。哈佛大学医学院的细菌细胞生物学家David Rudner和他的同事制作了枯草芽孢杆菌的延时Hi-C图谱,该图谱显示,SMC沿着染色体压缩,并以每分钟超过五万DNA碱基的速度成环。这一速度与研究者所估计的Mirny模型在人类细胞中发挥作用所需的速度相当。
Rudner 尚未证明SMC在这一过程中利用了ATP,但他表示自己已经很接近了;如果黏连蛋白在人类细胞中的工作方式与之不同的话,他会“大吃一惊”。
截至目前,关于黏连蛋白究竟在细胞内做了什么(或者没做什么)的争论仍然甚嚣尘上,许多研究者,包括加州大学伯克利分校的细胞生物学家Doug Koshland,坚持认为需要对Mirny的看法保有合理的怀疑。“我担心简单、精致的环挤压模型已经被写进了教科书,尽管现在还不是时候,”他说。
此外,Mirny指出,尽管这似乎只是专家之间的学术争论,但如果他的模型是正确的,它也将会对人们的生活产生影响。举例来说,在癌症中,黏连蛋白常常发生突变,CTCF位点也会改变。人们也在一些人类发育障碍中发现了黏连蛋白缺陷。Mirny说,如果环挤压过程是这些疾病背后的原因,或许更深入地理解马达蛋白将有助于解决这些问题。
但他的主要兴趣仍然在基础问题上。他只想了解为什么DNA是以现在的方式装配的。与此同时,尽管他的模型对黏连蛋白做出了大量假设,但“问题是除此之外,我并不知道任何能解释这些环的形成的其它方式,”Mirny说。
原文以DNA's secret weapon against knots and tangles为标题
发布在2017年4月19日的《自然》新闻上
原文作者:Elie Dolgin
(本文原载于微信公众号“Nature自然科研”,原标题为《动辄2米长的DNA,为什么不像耳机线那样容易打结?》。澎湃新闻经授权后转载,未经允许不得进行二次转载。)
责任编辑:王盈颖澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
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