英国剑桥大学首次报道DNA真实3D结构

生物通报道：剑桥大学和医学研究委员会剑桥分子生物学实验室的研究人员通过单细胞基因组成像技术，将小鼠胚胎干细胞放大了10万倍，得到了其不同部位DNA组合图像。

大多数人认为常见的染色体是“X型”的 ↓

但实际上只有在细胞处于分化期染色体才是这样的↓

运用单细胞Hi-C 技术（Single-cell Chromosome conformation capture），以整个细胞核为研究对象，利用高通量测序技术，结合生物信息分析方法，研究全基因组范围内整个染色质DNA在空间位置上的关系，通过对染色质内全部DNA相互作用模式进行捕获，获得高分辨率的染色质三维结构信息，如今的科学家们已经可以观察细胞内任意时期内的染色体状态、它们如何相互接触形成一个完整的基因组。基因的开开关关不仅关系到机体的发育，还关系到疾病的发生。了解DNA彼此的接触状态，对了解特殊基因和它们的调控区域十分重要。科学家们通过一个非常精美的视频，向人们展示了小鼠胚胎干细胞细胞核内由完整的20条染色体所构成的小鼠基因组3D结构，20条染色体分别标记了不同颜色以示区分（下图）。

在第二个视频中，活跃的基因被展示为蓝色，与核纤层相互作用的区域被展示为黄色。这样的布局显示出基因组倾向于把最活跃的DNA区域放置在核内部，与那些不怎么活跃的关系到核纤层的DNA从空间上分隔开来。观察每个细胞都一致地如此布局，猜测这样排列将有助于诸如DNA复制、细胞分化等细胞活动。

剑桥大学生物化学系，参与了这项技术手段研究的Ernest Laue教授点评：了解所有基因和其控制元件在某一特定时刻的位置，将会帮助我们了解控制和维持它们表达的分子机制。未来，我们会研究干细胞分化过程中的这些改变，以及个体干细胞的发育中是如何决策的。到现在为止，我们只能观察到群体细胞（群体细胞Hi-C）水平上的结构差异。了解单细胞（单细胞Hi-C）水平上的基因表达调控机制是实现干细胞医疗的关键。

本研究由剑桥大学生物化学系和Wellcome-MRC干细胞研究所，以及MRC分子生物学实验室的同事合作完成。现已发表在Nature杂志。

来自Wellcome遗传与分子科学项目组的Tom Collins博士说，如此细致（以＜100kb的DNA分辨率来观察染色体结构）的3D描述，这是一项前所未有的突破。这些具体的细节将会透露出我们的基因组调控机体的某些潜在原则。比如在染色体之间是如何对话的，染色体结构是如何影响基因的开与关的，等等。如果我们能将这种方法应用到具体的异常基因组细胞中，例如癌细胞，对照正常细胞基因组结构图，我们就可以更好地理解到底是什么导致了疾病的发生，以及我们需要如何开发用以纠正这种疾病的方法。

2015年初，安诺基因在国内首次推出了群体细胞Hi-C测序和单细胞Hi-C测序服务，能够在1Mb分辨率水平下解析染色体的三维构象。随后，安诺基因不断创新，Hi-C测序服务取得重要突破，精度更高，有效片段更多，现已实现在1Kb分辨率水平（目前报道的最高分辨率）精确解析染色体的三维构象。

相信不久的将来，神秘的人类基因组，将以更形象的方式，被写入教材，做成模型，巨细无遗地呈现在每一个人的眼前。

原文标题：3D structures of individual mammalian genomes studied by single-cell Hi-C

（生物通：欧阳沐）

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