基因调控的前所未有的视图

大部分的人类基因组是由监管区域控制基因表达,在给定的时间内细胞。这些监管元素可以附近目标基因或200万碱基对远离目标。

使交互,3 d结构基因组循环本身带来遥远的地区接近。使用新技术,麻省理工学院的研究人员已经证明,他们可以映射这些交互比之前更高分辨率100倍是不可能的。

“使用这种方法,我们生成最高分辨率的地图所生成的3 d基因组,我们看到很多增强剂和促进剂之间的相互作用,以前没见过,”安德斯Sejr汉森说,Underwood-Prescott职业发展助理麻省理工学院生物工程教授和这项研究的资深作者。“我们很兴奋能够揭示新一层的与我们的高分辨率三维结构”。

研究者的研究结果表明,许多基因与几十个不同的交互监管元素,尽管还需要进一步研究,以确定哪些这些交互是最重要的一个给定的基因的调控。

“遍布全球研究人员现在可以研究基因之间的相互作用及其监管机构,打开一个世界的可能性不仅为我们也为许多实验室已经表示有兴趣我们的方法,“那时Viraat也高尔说,麻省理工学院的研究生,也是论文的主要作者之一。“我们兴奋地把研究社区的工具,帮助他们解开驱动基因调控的机制。”

麻省理工学院博士后英里Huseyin也是论文的主要作者,今天看来,5月8日自然遗传学。

高分辨率的映射

科学家估计,超过一半的基因组由监管元素控制基因,这只占约2%的基因组。全基因组关联研究,链接与特定疾病的遗传变异,许多变异,出现在这些已经确定了监管区域。确定哪些基因这些监管元素相互作用可以帮助研究人员了解这些疾病的出现,可能,如何对待它们。

发现这些交互需要映射的哪些部分基因组染色体相互作用时打包到细胞核。染色体被组织成结构单元称为nucleosomes-strands DNA紧密缠绕proteins-helping细胞核染色体适合小的范围内。

在十年前,一个团队,其中包括麻省理工学院的研究人员开发了一种方法高c,这表明,基因组被组织为一个“分形球状体,它允许细胞紧密包其DNA,同时避免节。这种架构还允许DNA在需要时轻松地展开和折叠。

执行高c,研究人员使用限制性内切酶基因组切成许多小块,链接,生化反应在彼此附近细胞核内的三维空间。然后他们确定的身份相互作用通过扩增和测序。

而高c揭示了很多关于整个3 d基因组的组织,它有有限的决议挑选特定的基因之间的相互作用和监管元素,如增强剂。增强剂是短的DNA序列,可以帮助激活转录基因通过绑定的promoter-the地方转录的开始。

实现必要的决议来找到这些交互,麻省理工学院的团队建立在最近的技术称为Micro-C,这是由马萨诸塞大学医学院的研究人员发明,由斯坦利谢长廷和Oliver Rando。Micro-C最早在2015年应用于出芽酵母,随后在三篇论文发表在应用于哺乳动物细胞分子细胞在2019年和2020年研究人员包括汉森,谢长廷,金兰和其他人在加州大学伯克利分校和马塞诸斯州大学医学院。

Micro-C达到更高的分辨率比高c通过使用一种被称为小球菌核酸酶的酶切的基因组。高c的限制性内切酶的基因只在特定DNA序列随机分布,导致不同的DNA片段和更大的尺寸。相比之下,微球菌的基因组核酸酶均匀削减到nucleosome-sized片段,每个包含150至200个DNA碱基对。这个统一的小片段赠款在高c Micro-C其优越的决议。

然而,由于Micro-C调查整个基因组,这种方法仍不能达到足够高的分辨率来确定类型的研究人员希望看到的交互。举个例子,如果你想看看100种不同的基因组网站相互作用,你需要序列至少100乘以100倍,或10000年。的人类基因组非常大,包含大约2200万个网站在核小体的决议。因此,整个人类基因组的Micro-C映射需要至少2200万乘以2200万测序读,花费超过10亿美元。

来降低成本,研究小组设计了一个方法,进行更有针对性的基因组测序的交互,从而使他们专注于段的基因组包含感兴趣的基因。通过关注区域跨越几百万碱基对,可能的基因数量,网站减少millionfold为人处事和测序成本减少,下降到约1000美元。新方法,称为地区捕捉Micro-C (RCMC),因此可以廉价地生成地图丰富100倍比其他出版信息技术成本的一小部分。

“现在我们有一个方法让ultra-high-resolution 3 d基因组结构映射在一个非常实惠的方式。以前,它是如此难以接近财务因为你需要数百万,如果不是数十亿美元,高分辨率,”汉森说。“一个局限是,你不能得到整个基因组,所以你需要知道大约什么你感兴趣的,但是你可以得到非常高的分辨率,很实惠。”

许多交互

在这项研究中,研究人员主要集中在五个地区不同规模从几十万到200万个碱基对,他们选择将有趣的特性揭示了先前的研究。这些包括良好的基因称为Sox2在组织中扮演着重要角色在胚胎发育形成。

捕获和感兴趣的DNA片段测序后,研究人员发现很多增强剂与Sox2交互,以及附近的基因之间的相互作用和增强剂,以前看不见的。其他地区,尤其是基因和增强剂,一些基因与多达其他DNA片段,并平均每个网站互动联系约25人。

“人们看到多个交互从一个DNA之前,但它通常是两个或三个的顺序,所以看到这其中许多很重要的差别,“Huseyin说。

然而,研究人员的技术不透露是否所有这些相互作用同时发生或在不同的时间,或哪些相互作用是最重要的。

研究人员还发现,DNA似乎线圈本身成嵌套“microcompartments”,促进这些交互,但他们无法确定microcompartments形式。研究人员希望进一步研究底层机制的阐明基因是如何监管的基本问题。

“尽管目前我们不了解可能导致这些microcompartments,我们有这些开放式的问题在我们面前,我们至少有一个工具来真正严格的问这些问题,”高尔说。

除了追求这些问题,麻省理工学院的团队还计划与波士顿儿童医院的研究人员合作,这种类型的分析适用于基因组区域,与血液疾病全基因组关联研究。他们也与哈佛大学医学院的研究人员合作研究变异与代谢紊乱有关。

这个故事是由麻省理工学院新闻(再版web.mit.edu/newsoffice/),一个受欢迎的网站,包括麻省理工学院新闻研究、创新和教学。