50 만 개의 인간 세포의 핵은 모두 단일 양귀비 씨앗 안에 들어갈 수 있습니다. 그러나 각각의 모든 핵 내에서는 적어도 분자 관점에서 엄청나게 광대 한 게놈 기계를 상상합니다. 그것은 수십억 부분이 있으며, 많은 사람들이 유전자를 활성화하고 침묵시키는 데 사용되는 많은 부분이 있습니다. 이는 개별 세포가 뇌 세포, 심장 세포 및 200 개의 다른 세포 유형으로 전문화 할 수있는 배열입니다. 또한, 각 세포의 게놈은 핵 전체에 뭉쳐져 여기저기서 유전자 프로그램을 조정하기 위해 수백만 개의 모바일 조각으로 atwitter입니다. 마다, 게놈 기계는 자체적으로 복제됩니다.
인간 게놈의 Lilliputian 기계의 중심에는 사람의 30 억 유전자 문자 또는 뉴클레오티드를 구현하는 데 필요한 2 미터의 DNA가 있습니다. 메릴랜드 베데스다에있는 국립 암 연구소 (National Cancer Institute)의 세포 생물학 그룹의 수장 인 톰 미스 텔리 (Tom Misteli)는 신체의 모든 수조 세포에서 모든 게놈을 펴고 태양으로 50 번의 여행을 할 것이라고 말했다. 제임스 왓슨 (James Watson)과 프랜시스 크릭 (Francis Crick)이 DNA의 구조를 공개 한 1953 년 이래로, 연구원들은이 유전자 문자를 철자하는 데 놀라운 진전을 이루었습니다. 그러나이 정보 저장 관점은 다른 조직 유형, 사람의 날이나 삶의 다른 순간에 다른 시간에 특정 유전자가 켜지거나 끄는 것에 대해 거의 아무것도 드러내지 않습니다.
이러한 과정을 파악하기 위해, 우리는 이러한 유전자 문자가 어떻게 집단적으로 코일, 루프로 튀어 나오고, 도메인과 구역으로 집계하고, 그렇지 않으면 핵 전체 아키텍처를 가정하는 방법을 이해해야합니다. "DNA의 아름다움은 사람들이 게놈의 대규모 구조를 잊게 만들었습니다. “이제 우리는 DNA의 3 차원 구조가 세포가 실제로 정보를 어떻게 사용하는지 알려줄 것이기 때문에 게놈의 구조를 연구하는 것으로 되돌아갑니다. 게놈의 모든 것은 3D로만 의미가 있습니다.”
Dekker와 같은 게놈 고고학자들은 그 구조가 지구상에서 생명을 조정하는 데 어떻게 도움이되는지 마침내 분별하기 위해 게놈의 건축물을 밝히기 위해 분자 발굴 기술을 발명하고 배치했습니다. 지난 10 년 동안, 그들은 이중 나선으로서 각 세포의 정체성과 활동에 대한 모든 요소 인 게놈에서 구조적 모티프의 중첩 된 계층 구조를 노출시켰다.
더 나은 유전자 현미경
게놈 기계에 대한 긴밀한 조사는 오랜 시간이 걸렸습니다. 초기 영국 현미경 학자 Robert Hooke는 Cell 라는 단어를 만들었습니다. 17 세기 중반 코크의 얇은 부분에 대한 관찰 결과. 그가 본 작은 구획은 그에게 승려들의 거주지, 즉 세포를 상기시켰다. 1710 년에 Antonie van Leeuwenhoek은 세포 내에서 작은 구획을 스파크했지만 Nucleus 라는 단어를 만들어 낸 브라운 운동 명성의 로버트 브라운이었다. 1830 년대 초 에이 구획을 설명합니다. 반세기 후, 1888 년에 독일 해부학자 인 Heinrich Wilhelm Gottfried von Waldeyer-Hartz는 그의 현미경을 통해 피어링하고 염색체 라는 단어를 사용하기로 결정했습니다. -“색상”의미-그와 다른 사람들이 오늘의 최고의 현미경으로 핵 내부에서 볼 수있는 작은 염료 흡수 실을 위해.
20 세기 동안 생물 학자들은 단백질 성분이 아닌 염색체의 DNA가 유전자 정보의 분자 화신임을 발견했습니다. 23 쌍의 염색체에 함유 된 DNA의 총계는 게놈이다. 그러나이 염색체가 어떻게 함께 맞는가는 크게 미스터리로 남아있었습니다.
그런 다음 1990 년대 초 캐서린 컬렌 (Katherine Cullen)과 Vanderbilt University의 한 팀은 핵에 가까운 DNA 조각을 인위적으로 융합시키는 방법을 개발했습니다. 이 접근법은 수년에 걸쳐 개선되었습니다. Hi-C라고 불리는 최신 반복 중 하나는 전체 게놈의 접이식을 매핑 할 수 있습니다.
Hi-C 실험의 첫 번째 단계는 수백만 개의 세포 샘플을 포름 알데히드로 처리하는 것인데, 이는 두 가닥이 서로 가깝게 발생하는 곳마다 가교 가닥의 DNA 가닥의 화학적 효과를 갖는 것입니다. 그 근처의 두 비트는 다시 구부러진 동일한 염색체를 따라 약간 떨어져있을 수 있습니다.
다음으로, 연구원들은 게놈을 다지지 않고 수백만 개의 가교 스 니펫을 수확하고 각 스 니펫의 DNA를 시퀀싱합니다. 시퀀싱 된 스 니펫은 3D 게놈에서 DNA-DNA 접촉의 클로즈업 사진과 같습니다. 연구원들은이 스 니펫을 기존 게놈 전체 서열 데이터에 매핑하여 게놈의 접촉점 목록을 만듭니다. 이 일치하는 운동의 결과는 놀랍게도 데이터가 풍부한 맵입니다. 그들은 다른 크기의 중첩 된 색상 코드 사각형의 퀼트처럼 보입니다. 이는 염색체의 두 세그먼트 (또는 전체 게놈의 두 세그먼트)의 가능성을 핵에서 물리적으로 가깝게 가깝게 지정할 수 있습니다.
.지금까지, 대부분의 Hi-C 데이터는 샘플의 모든 셀에서 풀링 된 접촉 히트를 사용하여 평균 연락처 맵을 나타냅니다. 그러나 연구원들은 단일 세포에서 데이터를 수확 할 수 있도록 기술을 추진하기 시작했습니다. 신흥 능력은 핵 내부의 염색체와 게놈의 가장 정확한 3D 렌더링으로 이어질 수 있습니다.
또한, Baylor Genome Architecture Center of Genome Architecture Center의 이사 인 Erez Lieberman Aiden과 그의 동료들은 최근 핵에서 추출되어야했던 DNA보다는 DNA에서 DNA-DNA 접촉을 카탈로그하여 데이터에 대한 불확실성을 더하는 단계입니다. 고해상도 접촉 맵을 통해 연구원들은 1,000 개의 유전자 문자 규모로 게놈 구조적 특징을 식별 할 수 있습니다. 이는 이전보다 약 1,000 배 더 미세한 해상도입니다. 그것은 몇 블록 떨어진 곳에서 엔진을 뿌리는 대신 자동차의 후드 아래 바로 아래를 바라 보는 것과 같습니다. 연구원들은 2014 년 12 월 18 일에 인간과 생쥐의 암 세포를 포함하여 9 개의 세포 유형에 대한 견해를 발표했습니다. .
루프의 힘
정교한 알고리즘을 사용 하여이 셀의 수십만 (경우에 따라 수십억)의 접촉 지점을 분석 한 Aiden과 그의 동료들은이 게놈이 약 10,000 루프로 튀어 나오는 것을 알 수있었습니다. 세포 생물 학자들은 수십 년 동안 게놈 루프에 대해 알고 있었지만, 이전에는 분자 해상도 수준과 현재 가능한 세부 사항으로 검사 할 수 없었습니다. 유체 모양의 Dekker가“모든 뱀이 웅크 리고있다”고 비난하는이 루프들은 게놈의 대규모 건축이 특정 유전자가 어떻게 특정 유전자를 켜고 끄는 방식에 영향을 줄 수 있었던 이전에 보이지 않는 방법을 밝혔다. 기사.
다른 세포 유형에서, 루프는 다른 특정 염색체 위치에서 시작하고 끝나기 때문에, 각 세포주의 게놈은 고유 한 루프 집단을 갖는 것으로 보인다. 그리고 그 분화는 동일한 전체 게놈을 가진 세포가 수백 가지의 다른 세포 유형으로 구별 할 수있는 방법을 설명하는 데 도움이되는 구조적 기초를 제공 할 수 있습니다. Aiden은“3D 아키텍처는 셀이 실행되는 프로그램과 관련이 있습니다.
이 루프는 무엇을합니까? 미스 텔리 (Misteli)는 핵의 유체 내부에서“바람에 흔들리고있다”고 상상합니다. 그들이 서로 접근하고 물러나면서, 다른 단백질은 일시적 루프 구조에 들어가서 안정화 될 수있다. 이 시점에서, 전사 활성화 제라고 불리는 특정 유형의 단백질은 유전자가 켜지는 분자 과정을 시작할 수 있습니다.
Misteli는 예를 들어 간 세포 또는 뇌 세포 인 각 세포 유형이 이러한 과도 루프 루프 상호 작용의 시그니처 네트워크를 가질 수 있다고 생각합니다. 루프 구조는 어떤 유전자가 활성화되어 어떤 유전자가 침묵하는지를 결정할 수 있습니다.
그러나 연구원들은 구조와 기능 사이의 연관성 만 발견했다는 점에주의를 기울여야합니다. 하나가 다른 사람을 일으키는 지 확인하기에는 아직 너무 이르고 인과 적 화살표가 지적되는 방향
.그들이 루프 간 상호 작용에 대한 데이터를 채굴함에 따라, Aiden, Huntley와 그들의 동료들은 또한 서브 콤파트 (subcompartments)라는 게놈에서 6 개의 더 큰 구조적 특징을 식별 할 수있었습니다. 에이든은 그들을 뉴욕시의 미드 타운 또는 그리니치 빌리지와 동등한 핵과 같은“핵의 공간 지역”이라고 언급합니다. 그리고 사람들이 한 동네를 향해 끌어 당기는 것처럼, 다른 크로모 좀은 특정 하위 집단에 대해 일종의 분자 우편 번호를 가지고 있으며 그들을 향해 미끄러지는 경향이 있습니다.
이 분자 우편 번호는 염색체를 구성하는 DNA 및 단백질의 혼합물 인 염색질로 작성됩니다. 크로 마틴은 DNA가 뉴 클레오 솜이라고 불리는 수백만 개의 스풀-유사 단백질 구조를 감을 때 구축됩니다. (이 와인딩은 2 미터의 DNA가 직경으로 핵 내부에 닿을 수있는 이유입니다.)
생체 분자 플레이어의 큰 캐스트는이 뒤틀린 크로 마틴의 다른 무리를 더 닫히거나 개방형 모양으로 고정시킵니다. 게놈 기계의 로빙 부분은 열린 섹션에 더 잘 액세스 할 수 있으므로 그곳에 위치한 유전자를 켤 가능성이 높아집니다.
Dekker, Misteli, Aiden 및 동료들과 같은 연구자들이 구축 한 게놈의 점점 더 자세한 계층 적 그림은 다음과 같은 일을합니다. 뉴클레오티드는 유명한 DNA 더블 나선으로 조립됩니다. 나선은 뉴 클레오 솜에 바람을 피우고 염색질을 형성하는데, 이는 끈의 두 끝을 계속 비틀 때 얻는 것과 비슷한 형성으로 바람과 바람을냅니다. 이 모든 동안, 염색질은 여기저기서 수천 개의 루프로 꼬집습니다. 이 루프는 동일한 염색체와 다른 염색체 모두에서 하위 단위로 서로를 참여시킵니다.
연구자들이 게놈의 구조 계층에 대한 더 많은 통찰력을 얻음에 따라, 그들은이 거대 분자 경이가 모든 광대 함과 기계적인 세부 사항에서 어떻게 작동하는지 알아내는 데 더 가까워 질 것입니다. 국립 보건원 (National Institutes of Health)은 4D 뉴 클레오 롬 (4D Nucleome)이라는 5 년간의 1 억 2 천만 달러 프로그램을 시작하여 핵 아키텍처 연구 커뮤니티에서 모멘텀을 구축 할 것이며 유럽에서 유사한 이니셔티브가 시작되고 있습니다. 웹 사이트에 설명 된 NIH 프로그램의 목표는“공간과 시간에 핵의 3 차원 조직의 원리를 이해하는 것 (제 4 차원), 유전자 발현 및 세포 기능에서 핵 조직의 역할 및 핵 조직의 변화가 다양한 질병뿐만 아니라 정상 발달에 영향을 미치는 방법을 이해하는 것입니다.
.또는 Dekker가 말했듯이,“우리는 마침내 살아있는 게놈을 실제로 볼 수있게 해줄 것이며 결국 그것이 실제로 어떻게 작동하는지 알려줄 것입니다.”
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