人類基因組測序完成已有十多年. 但是, 基因組信息如何指導(dǎo)基因在特定空間和時間表達(dá)的機(jī)理仍有待闡明. 最近的研究表明, 基因組的三維空間結(jié)構(gòu)對基因組的表達(dá)、 調(diào)控等功能有重要的影響. 因此, 研究全基因組的三維空間結(jié)構(gòu)和功能成為基因組學(xué)一個新發(fā)展趨勢。

來自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院的研究人員近期介紹了這一研究領(lǐng)域的發(fā)展，概括了三維基因組學(xué)研究中的問題和目前的進(jìn)展, 并討論了可能的應(yīng)用前景。

近二十多年來, 基因組學(xué)從啟動至今, 經(jīng)歷了兩次大的發(fā)展浪潮. 第一次基因組學(xué)發(fā)展浪潮以人類基因組計劃為代表. 從 1990 年到 2003 年, 該計劃對人類基因組進(jìn)行了測序, 定義了人類基因組中的主要基因及其線性結(jié)構(gòu), 同時極大地發(fā)展了基因組測序技術(shù), 為其他物種的研究提供了基礎(chǔ), 并開啟了基因組學(xué)時代。

第二次基因組學(xué)發(fā)展浪潮以“人類基因組百科全書計劃”為代表. 從 2003 年開始, 該計劃對人類基因組 DNA 序列進(jìn)行系統(tǒng)地解讀和注釋, 分析了 147 個人體組織細(xì)胞類型, 發(fā)現(xiàn)人類基因組中 80%的序列是可以被轉(zhuǎn)錄的, 其中包括大量的未知基因序列, 而且發(fā)現(xiàn)了幾十萬個不同的基因調(diào)控元件, 并對基因表達(dá)和染色質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行了定義。

在有了基因組序列、調(diào)控元件和相關(guān)的注釋以后, 科學(xué)家們發(fā)現(xiàn), 這些離散的調(diào)控元件并不能有效地解釋很多基因的調(diào)控結(jié)果和機(jī)制. 科學(xué)家們面臨一個迫切需要解決的問題: 基因組中的調(diào)控元件是如何相互作用, 從而起到對基因表達(dá)的調(diào)控.

“結(jié)構(gòu)決定功能”是認(rèn)識自然規(guī)律中的一個共識. 在生物學(xué)中, 這一共識不僅適用于 RNA、蛋白質(zhì)等小規(guī)模的有機(jī)分子, 同樣也應(yīng)該適用于全基因組這樣的DNA大分子. 最近的研究表明, 基因組的三維空間結(jié)構(gòu)對基因組的表達(dá)、 調(diào)控等功能有重要的影響. 因此, 研究全基組的三維空間結(jié)構(gòu)和功能成為基因組學(xué)一個新發(fā)展趨勢.

基因組三維空間結(jié)構(gòu)與功能的研究簡稱三維基因組學(xué), 是指在考慮基因組序列、基因結(jié)構(gòu)及其調(diào)控元件的同時, 對基因組序列在細(xì)胞核內(nèi)的三維空間結(jié)構(gòu), 及其對基因轉(zhuǎn)錄、復(fù)制、修復(fù)和調(diào)控等生物過程中功能的研究.

生物學(xué)家對細(xì)胞核三維結(jié)構(gòu)的研究很早就開始了. 1885 年 Rabl 就觀察到細(xì)胞核中存在著不同的染色體區(qū)域, 而后的很多實驗和近代的熒光染色技術(shù)及顯微技術(shù)證實了細(xì)胞核中存在不同的結(jié)構(gòu)，但是相關(guān)的研究一直不夠深入, 同時缺乏微觀的證據(jù). 這一現(xiàn)象一直持續(xù)到染色質(zhì)構(gòu)象捕獲(chromatin con-formation capture, 3C)技術(shù)的出現(xiàn)。

染色質(zhì)構(gòu)象捕獲技術(shù)是由 Job Dekker 及其合作者最先提出的, 用于測定特定的點到點之間的染色質(zhì)交互作用. 之后, 科學(xué)家們擴(kuò)展了 3C 技術(shù). 兩個不同的小組同時開發(fā)了 4C技術(shù), 用于測定一點到多點之間染色質(zhì)交互作用, Dostie 等人開發(fā)了 5C 技術(shù), 用于測定多點到多點之間的染色質(zhì)交互作用. 為了能捕獲全基因組范圍的染色質(zhì)相互作用, Job Dekker研究組在馬薩諸塞大學(xué)開發(fā)出了Hi-C技術(shù), 阮一駿教授研究組在新加坡基因組研究院開發(fā)出了染色質(zhì)遠(yuǎn)程交互測序(Chromatin Interaction Analysis with Paired-End TagSequencing, ChIA-PET)技術(shù)，具體內(nèi)容見最新Nature：基因組新技術(shù)。

Hi-C 和 ChIA-PET 也是 3C 的衍生技術(shù), 都是基于將線性距離遠(yuǎn)、 空間結(jié)構(gòu)近的 DNA 片段進(jìn)行交聯(lián),并將交聯(lián)的 DNA 片段富集, 接著進(jìn)行高通量測序,對測序數(shù)據(jù)分析可以揭示染色質(zhì)的遠(yuǎn)程相互作用,從而推導(dǎo)出基因組的三維空間結(jié)構(gòu)和可能的基因之間的調(diào)控關(guān)系.

應(yīng)用這些技術(shù), 可以測定不同的調(diào)控元件和它們目標(biāo)基因之間的相互作用, 從而解釋相關(guān)的生物學(xué)問題. 現(xiàn)在, ChIA-PET 技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在人類的癌細(xì)胞, 以及小鼠的胚胎干細(xì)胞、神經(jīng)祖細(xì)胞和 B 細(xì)胞等研究中, 產(chǎn)生了大量的染色質(zhì)交互作用數(shù)據(jù), 并發(fā)現(xiàn)了不同的染色質(zhì)交互作用類型, 包括增強(qiáng)子和啟動子之間的交互作用、 啟動子和啟動子之間的交互作用. 還有一些研究也將 ChIA-PET 技術(shù)應(yīng)用到小鼠肢體細(xì)胞和人類 T 細(xì)胞中, 研究增強(qiáng)子和啟動子的交互作用.

文章指出，基因組學(xué)研究從一維到二維, 再到三維， 在有了豐富的一維和二維基因組數(shù)據(jù)后, 科學(xué)家們的視線正在從一維基因組學(xué)和二維基因組學(xué)向三維基因組學(xué)轉(zhuǎn)移. 我們知道, 所有生物的基因表達(dá)和調(diào)控都是在細(xì)胞核這一物理的三維空間結(jié)構(gòu)中進(jìn)行的. 要真實地理解基因的表達(dá)和調(diào)控, 不僅要了解不同調(diào)控元件和它們目標(biāo)基因之間的調(diào)控關(guān)系, 同時也要知道它們的物理空間位置和相互關(guān)系, 從三維空間結(jié)構(gòu)的角度去理解它們的功能。