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天然的摺紙藝術 — 染色質的 3D 結構

你有多久沒有摺紙了呢?每次摺紙你都摺些什麼樣的圖案呢?其實我們的 DNA 也像一張紙,數以億計的鹼基對也必須高度摺疊以塞進僅僅數微米大小的細胞核中。究竟我們的 DNA 是怎麼辦到的?

解決這個謎題的關鍵之一在於染色體結構。2002 年 Job Dekker 等人發明了 Chromatin conformation capture(3C)技術以偵測兩段 DNA 序列是否在空間中彼此靠近(ref. 2),之後科學家們陸續開發出 4C、5C 等技術(ref. 3),不過這些技術一次都只能針對少數幾個特定位點進行觀察,無法對整個基因體廣泛調查。2009 年 Erez Lieberman-Aiden 等人發明了 Hi-C(ref. 4),這個技術不僅解決了上述問題,同時還發現:(1)不同染色體間並非交織在一塊,而是有各自的「領域」,而小且富含基因的染色體在空間上會較為接近;(2)一個染色體是由許多 “megadomain”(長度 5-20 Mb)所組成,其中鬆散的染色質傾向與鬆散的染色質在空間上彼此靠近,緻密的染色質則傾向與其他緻密的染色質靠近,Aiden 把前者稱為 compartment A,後者為 compartment B;(3)染色體的結構應為「碎形球狀體」(fractal globule),而非傳統所認定的「平衡球狀體」(equilibrium globule)。相較於後者,前者的特別之處在於材料並不因折疊而打結,且當我們鬆開或者摺疊特定區域的染色質時,其他部分的結構並不會受到影響。

Hi-C 技術的發表可謂風靡了整個表觀遺傳學界,Aiden 本人也在 2011 年獲得 GE & Science Prize for Young Life Scientists。不過 Aiden 本人並不滿足於此。初代的 Hi-C 技術解析度僅約 1 Mb,且在 ligation 步驟時因為結構已被打散而可能與非原空間上鄰近之 DNA 產生作用。為了解決這些問題,Aiden 於是將 ligation 步驟改為在細胞內完成(這與我們去年所報導的 single-cell Hi-C 有著異曲同工之妙 [ref. 5]),結果發現此舉不僅能避免錯誤的 ligation,同時更將 Hi-C 技術的解析度提高至 1 kb。在如此高的解析度下,Aiden 研究團隊發現原先的 megadomain 是由更小的單位所組成,研究團隊稱之為 contact domain(長度 40kb-3Mb,以下簡稱 CD),而這些 CD 依據各種表觀遺傳標記的差異又可至少細分為 6 類,其中 2 類屬於 compartment A,4 類屬於 compartment B。而在許多 CD 中,我們可以發現他們首尾在空間中彼此靠近,暗示它們很可能形成了 loop 的結構,這個結構在分子生物學上有無與倫比的重要性,許多基因的調控方式被認為與這個結構有關。研究團隊在 GM12878 細胞株中找到了將近一萬個 loop。藉由與其他資料庫比對,發現這些 loop 所在位置多數都含有啟動子(promoter)與增強子(enhancer)位於兩端,且 loop 所在之處的基因轉錄活性也高於其他位置。當與 CTCF 分布位置比較,則可發現 86% 的 loop 與之重疊,這和先前人們對於 CTCF 在基因體結構中所扮演的角色的觀察可謂一致。

這個新一代的 Hi-C 技術讓我們對染色體結構的了解提升到一個全新的境界,且可能是破解許多表觀遺傳學領域未解之謎(如:genomic imprinting)的重要利器。本篇研究的成果除了刊登在去年《Cell》雜誌上以外,相關數據也都公布在 “Juicebox”( http://www.aidenlab.org/juicebox/)上,有興趣的人不妨親自前往瀏覽。而本篇研究也開啟了許多新問題,例如六類 CD 在物理空間上的結構究竟如何描述、在基因體結構中扮演怎樣的功能,都是相當令人好奇且待解決的問題。

 

2009 年 Erez Lieberman-Aiden 等人發明了 Hi-C 技術以研究染色體的結構。圖片來源:https://tinyurl.com/y9fxcg96

參考資料:

  1. Rao, S., Huntley, M., Durand, N., Stamenova, E., Bochkov, I., Robinson, J., … Aiden, E. (2015). A 3D Map of the Human Genome at Kilobase Resolution Reveals Principles of Chromatin Looping. Cell, 162(3), 687-688. doi:10.1016/j.cell.2015.07.024
  2. Dekker, J. (2002). Capturing Chromosome Conformation. Science, 295(5558), 1306-1311. doi:10.1126/science.1067799
  3. Hakim, O., & Misteli, T. (2012). SnapShot: Chromosome Conformation Capture. Cell, 148(5), 1068-1068.e2. doi:10.1016/j.cell.2012.02.019
  4. Lieberman-Aiden, E., Van Berkum, N. L., Williams, L., Imakaev, M., Ragoczy, T., Telling, A., … Dekker, J. (2009). Comprehensive Mapping of Long-Range Interactions Reveals Folding Principles of the Human Genome. Science, 326(5950), 289-293. doi:10.1126/science.1181369
  5. The Investigator Taiwan. (n.d.). Retrieved from https://www.facebook.com/investigator.tw/photos/pb.155136318007766.-2207520000.1432787289./249030645284999/?type=3&theater
  6. A 3D Map of the Human Genome. (2014, December 11). Retrieved from https://www.youtube.com/watch?v=dES-ozV65u4

撰稿 | 李政霖

修訂 | 林映希

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李政霖

臺大醫院實習醫師。興趣主要在於表觀遺傳學(epigenetics),特別是 epigenetic inheritance 和 X 染色體的相關議題。目前希望能夠多接觸一些生物資訊學領域的知識,以及表觀遺傳學在生物發育中的角色。希望能夠藉由 Investigator平台開拓視野、增加活動經驗,並認識來自不同領域對生醫研究懷抱熱情的人才,以為日後的研究之路增添更豐富的色彩。