과학자들이 2003 년에 인간 게놈 시퀀싱을 마쳤을 때, 많은 연구자들은 인간 유전학의 신비를 이해하는 방법으로 AS, TS, GS 및 CS의 긴 줄을 디코딩하는 데 주목했습니다. 그러나 게놈은 자연에서 간단한 긴 글자로 나타나지 않습니다. 펼쳐진 게놈은 거의 2 미터 동안 늘어나지 만, 직경 10 미크론 미만의 핵 내부에 들어가기 위해 코일과 루프로 접 힙니다.
최근 몇 년 동안 연구원들은이 3D 유전학 구조가 얼마나 중요한지 이해하기 시작했습니다. 책에서 유일하게 접근 가능한 정보가 당신 앞에있는 오픈 페이지에있는 것과 마찬가지로, 그 지침이 깊은 접힘 안에 숨겨져 있지 않은 경우에만 게놈의 지침을 읽을 수 있습니다. 그러나 연구자들은 중요한 비트를 읽을 수있는 방식으로 세포가 DNA를 접는 방법을 이해하지 못합니다.
올해 초, 두 명의 독립적 인 연구자 그룹이 DNA 폴딩의 신비를 해독하는 데 큰 발걸음을 내딛었습니다. 두 그룹 모두 CRISPR로 알려진 강력한 새로운 유전자 편집 도구를 사용하여 엄격하게 상처를 입히지 않았습니다. 그들의 연구는 과학자들이 게놈이 3 차원 구조를 형성하는 방법과 이유의 기본 규칙을 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 작은 DNA 서열의 존재는 게놈이 구성되는 방식에 큰 변화를 가져올 수 있음을 보여줍니다.
새로운 연구는 X 염색체의 신비를 이해하려는 시도로 시작되었습니다. 대부분의 수컷 포유류는 X와 y 염색체를 가지고 있고, 대부분의 여성은 2 개의 X를 가지고 있습니다. 이것은 여성의 세포 기계에 잠재적 인 문제를 제시합니다. 두 XS가 모두 활성 상태로 유지되면, X 염색체 유전자의 두 배를 켜집니다. 이것은 수정 후 곧 배아의 사망으로 끝나는 많은 발달 어려움으로 이어질 것입니다.
이 시나리오를 피하기 위해 X 염색체의 한 사본은 xist 라는 유전자를 사용하여 자체적으로 전환합니다. . 바체로 알려진 비활성 X 염색체는 작습니다. 그것은 DNA를 RNA와 단백질로 바꾸는 세포 기계에서 거의 모든 유전자를 숨기고 거의 모든 유전자를 숨 깁니다.
플로리다 주립 대학의 생물학자인 브라이언 차드윅 (Brian Chadwick)은“X 불 활성화는 여성 발달에 중요한 과정입니다. "두 XS의 유일한 차이점은 포장 방법입니다."
Chadwick은 신체가 X 염색체의 한 사본을 비활성화하는 방법을 이해하기 위해 전체 경력을 보냈습니다. Barr 바디에 대한 Chadwick의 연구는 DXZ4라는 DNA 서열에서 X 염색체의 한 사본에서 대부분의 유전자를 끄는 접이식의 핵심으로 제로화되었습니다. 그의 팀이 비활성 X 염색체로 보았던 모든 포유류는 이러한 서열을 가졌다.
그러나 Chadwick은 DXZ4가 실제로 X 염색체의 종이 접기 마스터인지를 어떻게 테스트 했습니까? 2014 년에 20 년 전에 시작된 작업에서 주요 단서가 나타났습니다.
첫 번째 연결
1990 년대 초 Vanderbilt University의 Mark Seyfred 실험실의 박사 과정 학생으로서 Katherine Cullen은 Prolactin이라는 단백질을 이해하기를 원했기 때문에 암컷 포유류가 우유를 만들 수있었습니다. Cullen과 Seyfred는 에스트로겐에 대한 노출이 거대한 DNA 루프 생성으로 끝나는 일련의 사건을 일으킨다 고 믿었습니다. 이 루프는 프롤락틴 유전자 프로모터를 연결하여 유전자를 켜는 스위치 역할을하며 프롤락틴 강화제를 사용하여 스위치를 뒤집는 은유 적 손가락 역할을합니다. 그녀의 박사 학위에 대한 Cullen의 임무는 이것을 확인하는 것이 었습니다.
그녀는 최근 Seyfred가 근접 결찰 분석이라고 불리는 기술을 사용 하여이 루프를 검색했습니다. 첫 번째 단계는 게놈을 포름 알데히드로 처리하는 것인데, 이는 게놈의 천연 3-D 형태에서 서로 가까운 DNA 세그먼트 사이에 가교를 생성하는 것입니다. 이 과정은 선형 게놈에서 이러한 서열이 서로 멀리 떨어져 있더라도 게놈의 어떤 부분이 접촉하는지를 보여준다. Cullen은 에스트로겐에 노출되면 Prolactin Enhancer와 프로모터를 연결하는 루프를 생성한다는 것을 발견했습니다. 그녀의 발견은 그녀에게 1993 년 과학 에서 출판되었습니다 박사 학위로가는 길에 그녀를 잘 보냈습니다.
Cullen의 연구는 게놈의 더 큰 3 차원 구조가 그 기능과 관련이 있다는 첫 번째 직접적인 증거를 제공했습니다. 그러나 그녀의 기사는 많은 관심을받지 못했습니다. “당시 게놈 건축에 대해 생각하지 않았습니다. 이 용어는 당시에는 용어조차 아니었다”고 Cullen은 말했다.
10 년 후, 그녀가 Erez Lieberman Aiden으로부터 깜짝 전화를 받았을 때, 하버드 대학교 (Harvard University)의 방문 동료가 그녀가 사용한 결찰 분석에 대한 자세한 정보를 찾고있었습니다. 에이든은 큰 야망을 가졌다. 그는 하나의 유전자에서 분석을 사용하고 싶지 않았습니다. 대신, 그는 전체 게놈을 검색하여 하나의 루프뿐만 아니라 잠재적으로 수천 명을 식별하고 싶었습니다.
향후 몇 년 동안 현재 라이스 대학교 (Rice University)의 계산 생물 학자와 베이로로 의과 대학 (Baylor College of Medicine)의 계산 생물 학자 인 에이든 (Aiden)은 매사추세츠 대학교 의과 대학의 생물학자인 Job Dekker의 작업을 기반으로 HI-C 시스템을 만들어 게놈의 두 조각이 서로 닿을 가능성을 매핑합니다.
.“우리는 다른 나라에 사는 사람보다 옆집 이웃에게 더 부딪칩니다. 여기에서도 마찬가지입니다.”라고 Aiden은 말했습니다. "우리가 게놈의 평범한 날에 누가 누구에게 부딪 치는지 알면, 우리는이 영역이 얼마나 가까운 지, 결과적으로 게놈이 3 차원에서 어떻게 보이는지 알아낼 수 있습니다."
.Aiden과 동료들은 2009 년 초기 HI-C 실험의 결과를 발표했습니다.이 결과는 게놈의 눈부신 복잡성을 드러내기 시작한 Pointillist 개요 인 1 백만베이스 쌍의 해상도로 게놈 구조를 보여주었습니다. Aiden의 실험실에서 일하는 대학원생 인 Suhas Rao는“결과는 대륙의 퍼지 윤곽 만 준 세계지도와 같았습니다. "당신은 그들과 함께 탐색 할 수 없었지만 시작할 곳이었습니다."
Aiden Lab은 다음 몇 년 동안 Hi-C를 정제하는 데 보냈고 2014 년에 Cell 에 논문을 발표했습니다. 그것은 1,000베이스 페어 해상도로 DNA의 모든 루프와 코일을 차트에 차트에 차트를 차트에 차트를 차트에 차트를 차트에 차트를 차트했습니다. 2009 년 논문이 북미의 흐릿한 윤곽을 밝히면 새로운 HI-C는 맨해튼의 거리 그리드를 노출시켰다. 세부 사항은 과학자들이 게놈이 접힌 규칙에 대한 첫 번째 단서를 주었다.
Aiden의 HI-C가 생성 한 DNA 중 수십억 개의 접촉 중 하나 인 게놈의 한 영역이 눈에 띄었습니다. XX 암컷 세포에서 Rao, Aiden 및 동료들은 나머지 염색체와 하나의 X를 공유하는 반면, 비활성 X는 매우 다르게 보였다는 것을 발견했습니다. 비활성 X는 약 200,000 개의 기본 쌍의 다중 루프를 갖는 대신 최대 770 만 개의 기본 쌍의 다중 "슈퍼 루프"를 특징으로하는 2 개의 거대한 "슈퍼 도메인"을 가졌다. 슈퍼 루프를 정박 한 것은 무엇입니까? DXZ4라는 DNA 서열 - Chadwick이 이전에 X 염색체의 폴딩의 핵심으로 확인한 것과 동일합니다. Chadwick은 신문을 읽고 Aiden에게 연락했습니다. 쌍은 협력하기로 동의했다.
유전자 컷
분자의 구조와 그 기능 사이의 관계를 이해하는 것은 생화학에서 고전적인 질문입니다. 단백질을 연구하는 과학자들은 1960 년대부터 단백질의 아미노산 빌딩 블록 하나를 변화시키고 단백질의 일을 수행하는 능력을 어떻게 변화시키는지를 측정 함으로써이 조사 분야를 마스터했습니다. Chadwick과 Aiden은 DNA 서열과 게놈 구조의 관계를 이해하기 위해 비슷한 일을하고 싶었습니다. 많은 유전학 실험실과 마찬가지로, 그들은 생체 분자 가위 세트로 작용할 수있는 게놈 편집 도구 CRISPR로 향했습니다.
DXZ4가 실제로 게놈 폴딩에 영향을 미친다는 것을 증명하기 위해, 팀은 인간 세포를 가져 와서 CRISPR을 사용하여 DXZ4 섹션 (수십만 개의 뉴클레오티드)에 대해 반복적 인 DNA 스트레치를 제거했습니다. 그런 다음 컷이 염색체 루핑에 어떻게 영향을 미치는지 측정하기 위해 HI-C를 사용했습니다. 그들이 dxz4를 제거했을 때,“그 가건 투안 루프는 사라졌습니다. 염색체는 정상적인 오토 솜처럼 보이기 시작합니다.”라고 Aiden은 말했습니다. "게놈이 접힌 방식을 잘 통제 할 수 있음을 보여주었습니다."
독립적으로, Dekker의 실험실은 마찬가지로 마우스에서 비활성 X 염색체의 폴딩에서 DXZ4의 주요 역할을 보여 주었다. 그들은 또한 xist 을 밝혔다 비활성 X 염색체를 코일하는 분자 스위치 인 유전자는 그 염색체의 두 개의 큰 슈퍼 도메인 사이의 경계를 만드는 데 도움이됩니다. Dekker의 논문 ( 자연 에 출판되었습니다 ) 및 Aiden and Chadwick 's (국립 과학 아카데미의 절차에 출판 ) 게놈 접이식의 고르 디안 매듭을 풀기 위해 도움이되었습니다.
네덜란드 Utrecht University의 생물 의학 유전 학자 인 Wouter de Laat는“전체 염색체의 구조가 중간 어딘가에 작은 DNA 서열에 의존 할 것이라는 것은 매우 훌륭하다.
De Laat는이 논문들은 게놈이 접는 방법과 그것이 기능하는 방법 사이의 친밀한 관계에 대한 우리의 지식을 확장하고 있다고 말했다. 과학자들은 비정상적인 게놈 폴딩이 질병을 유발할 수 있다고 오랫동안 의심해 왔으며, 몇몇 새로운 연구는 게놈 구조와 생물학적 발달 사이의 연관성을 확인했습니다. 베를린의 Max Planck Institute for Molecular Genetics Institute의 Stefan Mundlos의 2016 년 연구에 따르면 그의 동료들은 게놈의 비 코딩 영역에서 DNA의 재 배열이 염색질 폴딩을 변화시킴으로써 발달 동안 사지 기형을 유발했음을 보여 주었다. 다른 연구자들은 Genome 아키텍처의 변화가 trypanosoma 와 같은 기생충의 능력에 영향을 미치는지 조사하기 위해 CRISPR을 사용하고 있습니다. , 면역 체계를 피하기 위해 아프리카의 수면병의 원인.
Dekker가 말한 것처럼 게놈에서“3D를 제외하고는 의미가 없습니다.”
