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动辄2米长的 DNA,为什么不像耳机线那样容易打结?

环球科学科研圈  · 公众号  · 科研  · 2017-06-06 17:48

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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。图片来源: 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”。


图片来源: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。”







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