基因结构在细胞命运决定中的惊人作用

科学家们将生命的密码——基因组——解读为字母序列，但现在研究人员也开始探索它的三维组织。在一篇发表于自然遗传学来自西班牙巴塞罗那基因组调控中心(CRG)的科学家组成的跨学科研究团队的研究表明，基因组的三维组织在基因表达中起着关键作用，从而决定细胞的命运。

这一切都始于4-D基因组计划，这是一项雄心勃勃的创新研究计划，旨在了解人类的空间组织方式基因组有助于细胞做出决定。科学家们想要弄清楚的是基因组结构是否起着积极的作用，还是仅仅是基因组活动的副作用。4-D基因组团队使用的模型是细胞重新编程，这个过程可以让科学家还原白细胞回到一种多能状态，在这种状态下它们可以分化成任何其他类型的细胞。控制基因活性的蛋白质(称为蛋白质)转录因子)在这一过程中起着关键作用，4-D基因组团队对这一过程进行了详细研究，评估了它们是如何诱导细胞发生变化的基因表达染色质(DNA包裹的结构)的改变，以及基因组三维组织的改变。

了解干细胞是如何形成的以及它们如何转化成不同类型的细胞是现代生物学的一个主要挑战。自20世纪50年代以来，人们就知道体内所有特化细胞都含有相同的基因组。那么是什么将一种细胞类型与另一种细胞类型区分开来呢?答案是，不同的细胞读取包含在基因组不同部分的信息。实现这种选择性信息回忆所需的机制主要存在于所谓的转录因子中，转录因子是开关基因的分子。许多其他分子也参与了这一过程，包括表观遗传调控因子，它们有助于将基因组密集地打包到细胞核中，或局部地将其拆开以允许基因表达。科学家们使用了CRG高级研究员Thomas Graf和他的团队发现的一种重编程方法。有了这个精密的工具在手，他们能够通过比较重编程过程中不同时间基因组结构和转录的变化来研究基因组组织的动态。

“我们预计转录因子会首先开启某些基因，然后可能会迫使染色体的三维结构重新组织。令人惊讶的是，我们发现在基因组的很大一部分中，转录因子实际上在基因启动之前就促进了这种重组，”与计算生物学家恩里克·维达尔(Enrique Vidal)共同撰写这篇论文的Ralph Stadhouders解释说。

“我们的论文表明，转录因子可能在细胞重编程中发挥全新的作用。他们不只是交换基因CRG小组的高级负责人、本研究的首席研究员托马斯·格拉夫说:“它不仅能促进修饰基因表达所必需的结构变化。”“这可能对全世界研究基因调控的研究人员产生相关影响，因为我们现在知道基因组的大规模组织不能被忽视。它还提出了关于这些巨大变化如何产生的新问题:可能是新的机制，甚至可能是改变基因组某些区域所必需的新机制，”Graf说。

研究结果发表在自然遗传学，表示基因组结构在细胞重编程过程中对基因表达的控制具有重要的信息价值，因此是细胞特殊功能所必需的。“我们只是触及了可能是关键的、尚未被认识到的机制的表面细胞共同首席研究员Marc A. Martí-Renom说。他总结道:“这一新发现也可能对发育以及一些与发育相关的疾病和癌症具有根本意义。”