新技术生成最高分辨率的3D基因组图谱

大部分人类基因组由调节区域组成，这些调节区域控制哪些基因在细胞内的给定时间表达。这些调控元件可以位于靶基因附近或距靶基因最多200万个碱基对。

为了实现这些相互作用，基因组在3D结构中自我循环，将遥远的区域拉近。麻省理工学院的研究人员已经证明，他们可以使用一种新技术，以比以前高100倍的分辨率绘制这些相互作用图。

使用这种方法，我们生成了有史以来最高分辨率的3D基因组图谱，我们看到的是以前从未见过的增强子和启动子之间的许多相互作用。我们很高兴能够以高分辨率揭示新的3D结构层。”

AndersSejrHansen，麻省理工学院生物工程Underwood-Prescott职业发展助理教授，该研究的资深作者

研究人员的研究结果表明，许多基因与数十种不同的调控元件相互作用，尽管需要进一步研究以确定这些相互作用中的哪些对给定基因的调控最重要。

“研究人员现在可以负担得起研究基因与其调节因子之间的相互作用，不仅为我们而且为已经对我们的方法表示兴趣的数十个实验室打开了一个充满可能性的世界，”麻省理工学院研究生和其中之一的ViraatGoel说。论文的主要作者。“我们很高兴能为研究界带来一种工具，帮助他们解开驱动基因调控的机制。”

科学家估计，超过一半的基因组由控制基因的调控元件组成，而这些基因仅占基因组的2%左右。将遗传变异与特定疾病联系起来的全基因组关联研究已经确定了许多出现在这些调控区域的变异。确定这些调控元件与哪些基因相互作用可以帮助研究人员了解这些疾病是如何产生的，以及如何潜在地治疗它们。

发现这些相互作用需要绘制染色体被装入细胞核时基因组的哪些部分相互作用的图谱。染色体被组织成称为核小体的结构单元-;DNA链紧紧缠绕在蛋白质上-;帮助染色体适应细胞核的小范围。

十多年前，包括麻省理工学院研究人员在内的一个团队开发了一种称为Hi-C的方法，该方法揭示了基因组被组织成一个“分形小球”，这使得细胞能够在避免打结的同时紧紧地包裹它的DNA。这种结构还允许DNA在需要时轻松展开和重新折叠。

为了执行Hi-C，研究人员使用限制性内切酶将基因组切成许多小块，并在细胞核内的3D空间中将彼此靠近的块生化连接起来。然后，他们通过放大和测序来确定相互作用片段的身份。

虽然Hi-C揭示了有关基因组整体3D组织的大量信息，但它在识别基因与调控元件(如增强子)之间特定相互作用方面的分辨率有限。增强子是短的DNA序列，可以通过与基因的启动子结合来帮助激活基因的转录;转录开始的位点。

为了获得找到这些相互作用所需的分辨率，麻省理工学院的团队建立了一种名为Micro-C的最新技术，该技术由马萨诸塞大学医学院的研究人员发明，由StanleyHsieh和OliverRando领导。Micro-C于2015年首次应用于出芽酵母，随后由Hansen、Hsieh、Rando等加州大学伯克利分校和马萨诸塞大学医学院的研究人员在2019年和2020年的三篇论文中应用于哺乳动物细胞。

Micro-C通过使用一种称为微球菌核酸酶的酶来切割基因组，从而实现比Hi-C更高的分辨率。Hi-C的限制酶仅在随机分布的特定DNA序列处切割基因组，从而产生不同大小的DNA片段。相比之下，微球菌核酸酶将基因组统一切割成核小体大小的片段，每个片段包含150到200个DNA碱基对。这种小碎片的均匀性赋予Micro-C优于Hi-C的分辨率。

然而，由于Micro-C调查了整个基因组，这种方法仍然没有达到足够高的分辨率来识别研究人员想要看到的相互作用类型。例如，如果您想查看100个不同的基因组位点如何相互作用，您至少需要测序100乘以100次，即10,000。人类基因组非常大，在核小体分辨率下包含大约2200万个位点。因此，整个人类基因组的Micro-C作图至少需要2200万次乘以2200万次测序读取，耗资超过10亿美元。

为了降低成本，该团队设计了一种方法来对基因组相互作用进行更有针对性的测序，使他们能够专注于包含感兴趣基因的基因组片段。通过关注跨越几百万个碱基对的区域，可能的基因组位点数量减少了一千倍，测序成本减少一百万倍，降至约1,000美元。因此，这种称为RegionCaptureMicro-C(RCMC)的新方法能够以低廉的成本生成信息比其他已发布技术丰富100倍的地图，而成本仅为其一小部分。

“现在我们有了一种以非常实惠的方式获得超高分辨率3D基因组结构图的方法。以前，它在经济上是如此难以获得，因为你需要数百万甚至数十亿美元才能获得高分辨率，”汉森说.“一个限制是你无法获得整个基因组，所以你需要大致知道你感兴趣的区域，但你可以获得非常高分辨率，非常实惠。”

多互动

在这项研究中，研究人员重点关注了五个区域，这些区域的大小从数十万到大约200万个碱基对不等，他们之所以选择这些区域是因为之前的研究揭示了一些有趣的特征。其中包括一个被充分表征的基因Sox2，它在胚胎发育过程中的组织形成中起着关键作用。

在捕获感兴趣的DNA片段并对其进行测序后，研究人员发现了许多与Sox2相互作用的增强子，以及附近基因与增强子之间的相互作用，这些相互作用以前是看不到的。在其他区域，尤其是那些充满基因和增强子的区域，一些基因与多达50个其他DNA片段相互作用，平均每个相互作用位点与大约25个其他位点联系。

Huseyin说：“人们以前从一个DNA位中看到过多种相互作用，但通常只有两到三个，所以看到这么多相互作用在差异方面是非常重要的。”

然而，研究人员的技术并没有揭示所有这些相互作用是同时发生还是在不同时间发生，或者这些相互作用中哪些是最重要的。

研究人员还发现，DNA似乎将自身盘绕成促进这些相互作用的嵌套“微室”，但他们无法确定微室是如何形成的。研究人员希望对潜在机制的进一步研究能够阐明基因如何调控的基本问题。

“尽管我们目前还不知道是什么导致了这些微隔间，而且我们面前有所有这些悬而未决的问题，但我们至少有一个工具可以真正严格地提出这些问题，”Goel说。

除了追寻这些问题，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，将这种类型的分析应用于在全基因组关联研究中与血液疾病相关的基因组区域。他们还与哈佛医学院的研究人员合作，研究与代谢紊乱相关的变异。