在人類染色體中，DNA被蛋白包裹，形成一條超長的串珠線。這條串珠線經折疊后形成許多環（loop），據信這些環有助于細胞控制基因表達和促進DNA修復，以及其他功能。在一項新的研究中，來自麻省理工學院、馬克斯-普朗克分子細胞生物學與遺傳學研究所的研究人員發現，這些環是非常動態的，而且比以前認為的壽命更短。相關研究結果發表在2022年4月15日的Science期刊上，論文標題為“Sphingolipids control dermal fibroblast heterogeneity”。

在這項新的研究中，這些作者能夠在大約兩個小時的時間里監測活細胞中的一段基因組---Fbn2拓撲關聯結構域（topologically associating domain, TAD）---的運動。他們觀察到這段基因組只有3%到6%的時間是完全成環的（即形成環狀結構），所形成的環只持續了大約10到30分鐘。這些發現表明科學家們目前對DNA環如何影響基因表達的理解可能需要修正。

論文共同通訊作者、麻省理工學院生物工程職業發展助理教授Anders Sejr Hansen說，“該領域的許多模型都是這些調節這些過程的靜態DNA環的圖片。我們的新論文表明，這種說法其實并不正確。”

脫離DNA環

利用計算機模擬和實驗數據，這些作者發現，基因組中的DNA環是由一種叫做擠壓（extrusion）的過程形成的，在這種過程中，一種分子馬達促進了逐漸變大的DNA環的產生。該分子馬達每次遇到DNA上的“停止標志（stop sign）”時就會停止。擠壓這些DNA環的分子馬達是一種叫做黏連蛋白（cohesin）的蛋白復合物，而DNA結合蛋白CTCF則充當停止標志。在以前的實驗中，人們已觀察到了黏連蛋白介導的DNA環位于CTCF位點之間。

然而，這些實驗只提供了一個瞬間的快照，沒有關于DNA環如何隨時間變化的信息。在這項的新研究中，這些作者開發了一些技術，使他們能夠對CTCF DNA位點進行熒光標記，以便他們能夠對DNA環進行數小時的成像。他們還開發出一種新的計算方法，可以從成像數據中推斷出DNA成環事件。

論文共同通訊作者、馬克斯-普朗克分子細胞生物學與遺傳學研究所小組負責人Christoph Zechner說，“這種方法對于我們區分實驗數據中的信號和噪音以及定量確定DNA成環至關重要。我們相信，隨著我們不斷推動實驗檢測的極限，該方法對生物學將變得越來越重要。”

這些作者用他們的方法對小鼠胚胎干細胞中的一段基因組進行成像。論文共同**作者、麻省理工學院研究生Simon Grosse-Holz說，“如果我們把我們的數據放在一個持續約12小時的細胞分裂周期的背景下，完全形成的DNA環實際上只存在約20至45分鐘，僅占約3%至6%的時間。”

Hansen說，“如果DNA環只存在于細胞周期中如此短暫的時期，而且非常短暫，我們就不應該認為這種完全成環狀態是基因表達的主要調節因素。我們認為我們需要新的模型來研究基因組的三維結構如何調節基因表達、DNA修復和其他功能性下游過程。”

三維基因組結構，圖片來自Frontiers in Cell and Developmental Biology, 2021, doi:10.3389/fcell.2020.626541。

雖然完全形成的DNA環很少，但是這些作者發現，部分擠壓的DNA環在大約92%的情況下都存在。這些較小的DNA環用以前檢測基因組中DNA環的方法很難觀察到。

論文共同**作者、哈佛大學博士生Hugo Brand?o說，“在這項研究中，通過將我們的實驗數據與聚合物模擬相結合，我們如今能夠定量確定未成環狀態、部分擠壓狀態和完全成環狀態的相對程度。”

論文共同**作者、麻省理工學院博士后Michele Gabriele補充說，“由于這些相互作用非常短暫，但非常頻繁，以前的方法無法完全捕捉它們的動態。通過我們的新技術，我們可以開始解決完全成環狀態和未成環狀態之間的轉變。”

這些作者假設，這些部分成環的DNA片段可能在基因調控中比完全成環的DNA片段發揮更重要的作用。當DNA環開始形成，然后解體時，不同的DNA鏈就會沿著彼此運行，而且這些相互作用可能有助于諸如增強子和啟動子之類的調節元件找到彼此。

論文共同通訊作者、麻省理工學院醫學工程與科學研究所Leonid Mirny教授說，“在90%以上的時間里，會有一些短暫存在的DNA環，大概重要的是讓這些DNA環一直遭受擠壓。擠壓過程本身可能比僅存在很短一段時間的完全成環狀態更重要。”

更多的DNA環需要研究

由于基因組中的大多數其他DNA環都比這些研究在這篇論文中研究的DNA環要弱，他們猜測許多其他的DNA環也將被證明是高度瞬時的。他們如今計劃使用他們的新技術在各種細胞類型中研究其中一些其他的DNA環。

Hansen說，“大約有一萬種這樣的DNA環，而我們已觀察到其中的一種。我們有很多間接證據表明，這些結果將是可推廣的，但我們還沒有證實這一點。通過使用我們建立的將新實驗方法和計算方法相結合的技術平臺，我們可以開始研究基因組中的其他DNA環。”

這些作者還計劃探究特定的DNA環在**中的作用。許多**，包括一種叫做FOXG1綜合征的神經發育障礙，可能與DNA環動態變化的缺陷有關。他們如今正在研究基因組中的DNA環形成如何影響FOXG1基因的正常形式和突變形式以及致癌基因MYC。（生物谷 Bioon.com）