來自美國國立衛(wèi)生研究院下屬國家癌癥研究所(NCI)的科學(xué)家們，利用新型的大規(guī)模成像技術(shù)繪制出了個別基因在人類細(xì)胞核中的空間位置，并確定了50個細(xì)胞因子是基因正確三維(3D)定位的必要條件。這些空間定位對基因表達(dá)、DNA修復(fù)、基因組穩(wěn)定性和其他的細(xì)胞活動起重要的作用。這項(xiàng)研究發(fā)布在8月13日的《細(xì)胞》(Cell)雜志上。

DNA在細(xì)胞核中非隨機(jī)排列是高等生物基因組的一個基本特性。研究人員很久以前就已經(jīng)知道，大多數(shù)基因都會占據(jù)細(xì)胞核中偏愛的3D位置，基因的定位對于它們的功能至關(guān)重要，但一直以來卻很難確定決定基因定位的作用分子和機(jī)制。盡管采用熒光原位雜交（FISH）技術(shù)可以顯影基因，并確定它們的位置，這一成像技術(shù)一次只能分析幾個樣本，無法用于大規(guī)?；蚪M作圖。

NCI的研究人員開發(fā)出了一種叫做HIPMap（High-throughput Imaging Position Mapping）的方法，使得大規(guī)模測定3D基因位置變?yōu)榭赡?。這一方法利用了優(yōu)化的FISH檢測方案、全自動顯微鏡，并結(jié)合了先進(jìn)的計(jì)算圖像分析——其可在單次實(shí)驗(yàn)中傳遞成千上萬樣本的精確基因定位信息。

在這項(xiàng)研究中，NCI癌癥研究中心副主任Tom Misteli博士領(lǐng)導(dǎo)研究人員利用HIPMap和一種叫做RNAi基因敲落的方法篩查了細(xì)胞核中近700種蛋白質(zhì)，以鑒別與幾個人類基因3D定位相關(guān)的蛋白。RNAi基因敲落是利用RNA分子去阻斷細(xì)胞中的特異蛋白質(zhì)生成。

通過在27天內(nèi)連續(xù)收集來自自動顯微鏡的數(shù)據(jù)，分析了300多萬個數(shù)據(jù)點(diǎn)，科學(xué)家們鑒別出有50個細(xì)胞因子決定了基因在細(xì)胞核中的定位。這一列表為進(jìn)一步探究基因組組織的分子機(jī)制提供了基礎(chǔ)。

Misteli說：“HIPMap的重要性在于，它可作為眾多應(yīng)用，包括癌癥生物學(xué)的一個起點(diǎn)。除了解答基因組在完整細(xì)胞中的組織機(jī)制這類基礎(chǔ)問題，還可以利用其能夠在大量樣本和細(xì)胞中繪制基因定位的能力，來檢測癌癥中非常罕見的染色體易位事件及了解決定染色體斷裂位點(diǎn)的細(xì)胞因子。”在易位過程中，染色體斷裂再重新連接，可導(dǎo)致不相連的基因發(fā)生融合，雜合基因的蛋白質(zhì)產(chǎn)物有可能會促成癌癥形成。

在舉例說明HIPMap的應(yīng)用時(shí)，Misteli指出上個月他的實(shí)驗(yàn)室發(fā)布了一項(xiàng)研究(Burman et al., Genes and Development. July 1, 2015)。在那項(xiàng)研究中，研究人員采用了一種源自HIPMap的方法來探究在一種叫做間變性大細(xì)胞淋巴瘤的癌癥中導(dǎo)致染色體易于斷裂及在NPM1基因和ALK基因之間形成一種致癌易位的機(jī)制。研究人員以往證實(shí)，在癌癥中一些基因占據(jù)在不同的位置。因此，可以利用一些基因的3D定位來作為乳腺癌和前列腺癌一類疾病的診斷標(biāo)志物。

“HIPMap將成為許多正在進(jìn)行的研究努力中一種強(qiáng)大的工具，來繪制三維空間中的基因組，將來自這些研究的結(jié)果轉(zhuǎn)化為癌癥生物學(xué)，”Misteli說。