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傳送門： 35歲的基因剪刀手張峰：生命也許是可編程的
2003年,，科學(xué)家完成對人類基因組的測序工作,，當(dāng)時很多研究人員的關(guān)注焦點，是如何破譯長長的A,、T,、G、C堿基序列，想通過此種途徑,，解開人類基因的奧秘,。但在自然狀態(tài)下，基因組并不是一長串簡單排列的堿基,。展開后的基因組,，全長接近兩米，然而它卻通過反復(fù)盤繞,，裝進(jìn)了直徑不到10微米的細(xì)胞核內(nèi),。近幾年來，研究人員開始逐漸理解這種3D結(jié)構(gòu)的重要性,。打個比方,，一本書里包含的信息再多，你每次也只能看到翻開的那兩頁,。基因組也是一樣,，深藏在折疊處的指令是無法被細(xì)胞讀取的。但讓研究人員們不解的是,，DNA是怎么折疊的,，怎么確保重要的遺傳信息能被讀取到？今年早些時候,，兩個互相獨立的研究團(tuán)隊都在DNA折疊領(lǐng)域邁出了一大步,。兩個團(tuán)隊都用一種強大的基因編輯工具，CRISPR（全名為“常間回文重復(fù)序列叢集”）,，來展開一個緊密盤繞的DNA片段,。藉此，基因組3D結(jié)構(gòu)的形成原因及方式,，及其背后的一些基本規(guī)則,，就可以漸漸浮出水面。這些研究還告訴我們,，一些小小的DNA序列的存在,，會導(dǎo)致基因組結(jié)構(gòu)的巨大改變。起初,，新研究試圖解開X染色體的一個謎團(tuán)：大多數(shù)雄性哺乳動物都有一條X染色體和一條Y染色體,，而大多數(shù)雌性哺乳動物有兩條X染色體。這給雌性生物細(xì)胞帶來了潛在的問題：如果兩條X染色體都處于激活狀態(tài),，細(xì)胞內(nèi)就會有雙份染色體基因開啟表達(dá),。這將導(dǎo)致各種發(fā)育問題，通常會導(dǎo)致胚胎在受精不久后死亡,。為避免以上情況,，其中一條X染色體會用一個“Xist基因”將自己去活化,這條無活性的X染色體就稱為巴爾小體,，非常之小。它會盤繞起來,，將上面承載的幾乎所有基因都隱藏起來,，從而避免相應(yīng)細(xì)胞機制將DNA轉(zhuǎn)錄為RNA，繼而翻譯成蛋白質(zhì),。“兩條X染色體中的一條失活,，這是雌性發(fā)育的關(guān)鍵過程?！狈鹆_里達(dá)州立大學(xué)生物學(xué)家布萊恩·查德威克說,，“兩條X染色體之間的唯一區(qū)別，就在于它們的包裝方式,。”從步入學(xué)術(shù)生涯至今,，查德威克就一直想要解開X染色體去活化之謎,。通過對巴爾小體的研究，查德威克最終鎖定了一個名為DXZ4的DNA序列,，它可能是折疊的關(guān)鍵,，該折疊關(guān)閉了其中一條X染色體上的大多數(shù)基因。查德威克團(tuán)隊研究的所有哺乳動物之中,，凡是有一條X染色體去活化的,，就都存在這樣的序列。但DXZ4真是X染色體中的折疊小能手嗎,？查德威克又該如何驗證這點呢,？2014年，一條主要的線索出現(xiàn)了,，而這條線索源于20多年前開始的一項工作,。在上世紀(jì)90年代初的范德堡大學(xué)，馬克·塞弗里德（Mark Seyfred）的實驗室有一個博士生名叫凱瑟琳·卡倫（Katherine Cullen）,，她想了解一種名為“催乳素”的蛋白質(zhì),，其作用是使雌性哺乳動物產(chǎn)奶。卡倫和塞弗里德認(rèn)為,，雌激素暴露會引發(fā)一系列事件,，最終制造出巨型的DNA環(huán)，其中一端是催乳素基因的啟動子,，充當(dāng)啟動基因表達(dá)的開關(guān),，另一端是它的增強子，相當(dāng)于打開開關(guān)的手指,。 在基因組研究中，‘不看3D結(jié)構(gòu)，一切都無從談起,?！?/strong>當(dāng)時，塞弗里德開發(fā)了一種名為“鄰位連接測定”的新手段,，卡倫就用它來搜尋這種環(huán),。第一步是用甲醛處理基因組。一經(jīng)處理,，在基因組的自然3D形態(tài)下,，彼此靠近的DNA片段之間就會交聯(lián)。從這些交聯(lián)中可以看出,，基因組的哪些部分在接觸,，雖然在抻直的狀態(tài)下，這些序列可能相隔甚遠(yuǎn),。卡倫發(fā)現(xiàn),，雌激素暴露會使DNA上出現(xiàn)一個環(huán)，將催乳素的增強子和啟動子連接起來,。她的發(fā)現(xiàn)發(fā)表于1993年的《科學(xué)》（Science）期刊,。卡倫的研究提供了一些最早期的直接證據(jù)，證明了基因組的宏觀三維結(jié)構(gòu)與其功能相關(guān),。“當(dāng)時，我沒怎么考慮基因組結(jié)構(gòu),。那時候還沒有這個術(shù)語呢,。”卡倫說,。埃雷茲·里伯曼·艾登（Erez Lieberman Aiden）十年之后,，情況變了，她意外接到了埃雷茲·里伯曼·艾登的一通電話,，當(dāng)時,，艾登是哈佛大學(xué)的一位訪問學(xué)者，想進(jìn)一步了解她使用的鄰位連接測定法,。艾登覺得,，用這個辦法單單研究一個基因，實在是太大材小用了,。他想用它搜索整個基因組,，找出千千萬萬個這樣的環(huán)。后來的幾年,，艾登（現(xiàn)為萊斯大學(xué)和貝勒醫(yī)學(xué)院的計算生物學(xué)家）,，在馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物學(xué)家喬布·德克爾（Job Dekker）的工作基礎(chǔ)之上,，創(chuàng)建了Hi-C系統(tǒng)，繪制出兩個基因組片段彼此接觸的概率,。“我們碰到隔壁鄰居的概率比碰到外國人的概率要大,。研究中用到的也是同一個概念?！卑钦f,。“如果我們知道,，基因組中誰和誰最容易碰面,，我們就能知道這些區(qū)域有多接近，進(jìn)而知道基因組在三維空間內(nèi)的形狀,?！?/span>2009年，艾登及其同事發(fā)表了Hi-C初步實驗的結(jié)果——一個模糊的基因組架構(gòu),，最小分辨單位是100萬個堿基對,。從中，基因組那震撼人心的復(fù)雜性開始顯現(xiàn)出冰山一角,。“這些結(jié)果就像一張世界地圖,，只給出了幾個大洲的大致輪廓,?！痹诎菍嶒炇夜ぷ鞯难芯可K哈斯·拉烏（Suhas Rao）說?！案緵]法靠它指路,，但可以作為一個切入點?！?/span>接下去的幾年里,，艾登的實驗室又不斷提高Hi-C的精度，并于2014年,，在《細(xì)胞》（Cell）期刊發(fā)表論文,，記錄下DNA的每一個環(huán)繞和盤旋結(jié)構(gòu)，最小分辨單位縮小到1000個堿基對,。如果說2009年的論文只描繪出了北美洲的模糊輪廓,，那么新的Hi-C已經(jīng)能夠繪制出曼哈頓的路網(wǎng)。從這些細(xì)節(jié)之中,，科學(xué)家們首次看到了基因組折疊規(guī)則背后的線索,。艾登的Hi-C發(fā)現(xiàn)了數(shù)十億個DNA接觸點，但有一個區(qū)域脫穎而出,。拉烏,、艾登和同事們發(fā)現(xiàn),，在具備兩條X染色體的雌性生物體細(xì)胞中，其中一條X染色體與其余染色體盤繞模式相同,，有多個環(huán)狀結(jié)構(gòu),，每個包含約20萬個堿基對；但那條去活化X染色體則與眾不同,，它有兩個巨大的“超級域”,，其中包含多個“超級環(huán)”，最多者有7700萬個堿基對,。為這些超級環(huán)提供錨點的是誰呢,？是一種名為DXZ4的DNA序列——查德威克之前就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，它對X染色體的折疊至關(guān)重要,。在看到論文后,，查德威克與艾登取得了聯(lián)系，兩人同意合作,。理解分子的結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系,，這是生物化學(xué)界的經(jīng)典問題。從20世紀(jì)60年代起,，研究蛋白質(zhì)的科學(xué)家們就掌握了解決之策：改變蛋白質(zhì)中的一個氨基酸結(jié)構(gòu)單元,，然后檢測蛋白質(zhì)功能所受的影響。查德威克和艾登就想通過類似的手段,，探究DNA序列和基因組結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,。跟許多遺傳學(xué)實驗室一樣，他們也采用了CRISPR,，一種類似于生物分子“剪刀”的基因組編輯工具,。DXZ4是一個重復(fù)出現(xiàn)的DNA片段，綿延數(shù)十萬個核苷酸,。為證明DXZ4確實影響了基因組的折疊,，研究團(tuán)隊用CRISPR剪切掉人類細(xì)胞中的DXZ4片段。在剪掉DXZ4之后，“那些大的環(huán)狀結(jié)構(gòu)消失了,。那條X染色體越來越像是普通的常染色體,，”艾登說，“這說明,，我們可以精確控制基因組的折疊方式,。”另一邊,，德克爾的實驗室也顯示,，DXZ4在小鼠的去活化X染色體的折疊中起到關(guān)鍵作用,。他們的研究還顯示，Xist基因——使去活化X染色體盤繞起來的分子開關(guān)——參與構(gòu)建了兩個超級域的邊界,。德克爾的論文,，以及艾登和查德威克的論文，都像希臘神話中的亞歷山大大帝那樣,，抽出利劍,，干脆利落地斬斷了基因組的“戈耳狄俄斯之結(jié)”（比喻用非常規(guī)的方法解決本來不可解的問題）。 “整個染色體的結(jié)構(gòu)都依賴于中間一個小小的DNA序列,，真是不可思議,。”荷蘭烏特勒支大學(xué)生物醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)家瓦奧特·德·拉特（Wouter de Laat）說,。德拉特說,，這些論文正在拓展我們的認(rèn)知，揭示基因組折疊及其功能之間的密切聯(lián)系,。科學(xué)家們早就懷疑,，異常的基因組折疊可能導(dǎo)致疾病，若干新研究都指出了基因組結(jié)構(gòu)和生物發(fā)育之間的聯(lián)系,。今年,，馬克斯普朗克分子遺傳學(xué)研究所的斯特凡·孟德洛斯（Stefan Mundlos）等人的一項研究表明，非編碼區(qū)的DNA重排之后,，染色質(zhì)折疊被改變,，進(jìn)而引起發(fā)育期間的四肢畸形。還有的研究人員正在使用CRISPR,，探究基因組結(jié)構(gòu)變化能否影響錐蟲（引發(fā)非洲昏睡病的寄生蟲）繞過免疫系統(tǒng)的能力,。現(xiàn)在,，有一點越來越明顯,，在基因組研究中，“不看3D結(jié)構(gòu),，一切都無從談起,。”德克爾說,。
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