設計和構建基因組的三維架構

責編 | 兮

可超過2米的動物基因組DNA需要在三維空間中經過錯綜複雜地摺疊才能被直徑通常小於10微米細胞核所容納。三維基因組學（3D genomics/genome architecture）研究的焦點之一是在亞微米 （sub-micrometer） 量級上結構和功能間的聯絡。這些結構可以由高通量染色質構象捕獲技術（a high-throughput， genome-wide version of chromosome conformation capture： Hi-C

【1】

）來描繪，可大致分為 （如圖）

【2】

：

1. 染色質區室化

（compartmentalization） ：傳統上被認為是兆鹼基量級上開放的（轉錄活躍）染色質 （open chromatin： A compartment） 和封閉的（轉錄不活躍）染色質（closed chromatin： B compartment）

【1】

。屬於同種區室的染色質區域相互接觸，而異種區室間相互隔開。因而在Hi-C熱圖（heatmap）上顯現格子狀（plaid）的圖案。

2. 拓撲結構域

（topologically associated domains， TADs）

【3】

，或接觸結構域（contact domains）

【4】

： 兆鹼基-亞兆鹼基級別，結構域內的染色質傾向於相互接觸，而屬於兩個不同結構域染色質之間的跨邊界（domain boundary）接觸相對稀少。Hi-C熱圖上對應沿對角線上的三角/正方形。

3. 染色質環

（chromatin loops） ： 通常千至十萬鹼基級別，兩個染色質位點克服彼此之間的染色質區域在空間上相互臨近 （proximity） 。Hi-C熱圖上可呈點狀形態。

精確的結構域組織一定程度上取決於架構因子 （architectural factors） ：其中包括一個多功能轉錄因子：CCCTC結合因子 （CCCTC binding factor， CTCF） 和黏連蛋白或粘合素 （cohesin）。架構因子在結構域邊界區域相對富集（enriched），並有標定 （demarcate） 結構域的功能。結構域組織的異常可導致基因失調，進而涉及發育障礙，肢體畸形和癌症等疾病。

自2009年全基因組高通量染色質構象捕獲技術（Hi-C）的開發至今，三維基因組學已經描繪了基因組空間結構怎樣在發育，分化和疾病過程中產生變化。大多數該領域的研究以關聯性、描述性 （correlative/descriptive） 為主題。2015/2016年起，該領域開始靶向功能喪失的研究：在特定位點打破三維架構。而2019/2020年起，靶向功能獲得性的研究逐漸浮現：在特定基因組位點建立新的空間架構。

2021年5月6日，來自美國費城兒童醫院和賓夕法尼亞大學醫學院的Gerd Blobel教授實驗室的

張帝

（Di Zhang）等在

Nature Genetics

上發表了題為

Nature Genetics

的綜述。文中

Engineering three-dimensional genome folding

文章同時

Engineering three-dimensional genome folding

分析了近期基因組空間結構領域的進展，專注討論了功能獲得性（建立新的架構，而非打破即成架構）的實驗結果。

1。 染色質環可包括增強子和啟動子間的環 （enhancer-promoter loops） 又包括由CTCF/cohesin組織的結構環 （structural loops）。用鋅指 （zinc finger） 來連結增強子和啟動子足以啟用β球蛋白 （β-globin） 基因的轉錄

展望了基因組空間結構，基因組工程，機器學習以及合成生物學等領域如何能夠進行跨學科的合作：一起來透過預測，設計，合成人工染色體的方式來破解基因組序列如何決定其三維架構，其架構如何影響基因的準確調控這些基本問題。

。基於催化失活Cas9 （dCas9） 的一系列二聚化 （dimerization） 方法也可以靶向地搭建結構環

文章的要點包括：

。透過設計和構建染色質環有助於揭示結構環是如何為轉錄調控提供時空上的精確性。

2。 塑造染色質結構域可以透過大規模複製 （large-scale duplication） 來實現。當一個上百萬鹼基，橫跨部分染色質結構域及結構域邊界的片段被複制時，新的結構域有可能生成。在小鼠中，當新的結構域包含了可致病的基因和與其可接觸的順式調控元件 （cis regulatory elements） 時，致病基因的上調可以重現人類一種肢體畸形的先天疾病

【5】

。

3。 最新的研究成果表明，塑造染色質結構域也可以透過小片段插入來實現。集縮素（condensin）的結合位點

【6】

，內源性逆轉錄病毒 （Endogenous retroviruses （ERVs））

【7】

，多個CTCF結合位點

【8】

等在特定的基因組環境下可以建立新的結構域邊界。在2020年Blobel團隊張帝的

【9,10】

的文章裡（詳見BioArt報道：Nat Genet | 由結構域邊界插入來調節基因組的空間摺疊）

【11】

，

Nature Genetics

值得一提的是，插入片段中的轉錄起始位點，而非CTCF結合位點，足以在一個大範圍的沒有轉錄活動的異染色質 （heterochromatin） 環境下，建立一個常染色質 （euchromatin） 的新結構域。這個結構域的大小和轉錄距離相符和，也同時改變了其周圍染色質區室化格局： 由B 區室轉變為A區室。這個結果也進而說明了一個有活性的轉錄起始位點可足以構建一個和其轉錄距離相符的新結構域。

4。 透過實驗塑造染色質結構域和動物基因組在進化中增添結構上的複雜性有一定相似之處。就好比人工轉座因子可用於形成新的結構域，自然存在的轉座因子也可以在近幾千萬年的進化史中為哺乳動物的基因組增添新的空間結構。另一方面，基因組本身也有一定保持現有空間結構穩定性的機制，透過抑制由轉座因子形成的架構因子 （architectural factors） 結合位點。

5。 展望未來，更合理地設計和構建基因組的三維架構需依賴於基因組編輯技術，尤其是片段插入，以及基因組空間結構的測量技術的進一步提升。隨著單細胞染色質構象捕獲技術和單細胞染色質空間結構影像技術的通量提升及價格下降，多重編輯 （multiplexed editing） 和多重結構讀出 （multiplexed readout） 將可以被有效地結合起來。終有一天，科學家們能透過設計及合成哺乳動物的人工染色體 （mammalian synthetic chromosomes） 來有力地考量並破解基因組空間摺疊的機理。

總之，

【12】

本文聚焦近期領域動態，也兼顧論述早期經典的研究。同時此綜述在探討生物學的概念及技術研發這兩個要點間尋求了一個較好的平衡，對在該領域內外的科研同事們都應提供有一定價值的參考。

本文通訊作者為費城兒童醫院與賓夕法尼亞大學醫學院的Gerd A。 Blobel MD， PhD， Frank E。 Weise III Professor of Pediatrics。第一作者為費城兒童醫院及賓夕法尼亞大學醫學院MD-PhD專案學員張帝博士。第二作者為費城兒童醫院及賓夕法尼亞大學醫學院的Jessica Lam。

一個2 kb的含有一個CTCF結合位點和一個轉錄起始位點的DNA片段的異位 (ectopic) 插入足以重新整合其周圍數十萬甚至上百萬鹼基基因組的空間結構。

這篇綜述首先重溫了一些基因調控領域一些可以透過設計和構建基因組摺疊來研究的概念。其次，作者們綜合了近期基因組空間結構領域對於構建染色質環，基因組結構域，以及染色質區室的最新進展，並且討論了動物基因組的空間結構是如何在進化的時間尺度上演變得愈發複雜的。最後，本文展望了未來包括基因組空間結構領域, 基因組影像領域，基因組工程以及合成生物學領域等跨學科合作將進一步提升我們編輯，設計和構建基因組空間架構的規模和通量。

原文連結：

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