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【前沿科普】染色質可及性：探索功能基因組的視窗

由澎湃新聞客戶端發表于美食2023-02-06

簡介MNase-seq直接檢測與核小體結合的DNA序列，繪製出核小體佔據圖，從而間接反映出染色質的可及性區域，另外3種方法則直接檢測染色質開放區域

dnase1怎麼讀

以下文章來源於生物化學與生物物理進展，作者PIBB

生物化學與生物物理進展。

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作者 | 許蘭任立成

責編 | 霍麟

染色質的“變身”過程——誰還沒有兩幅面孔了！

染色質作為遺傳資訊的載體，儲存於細胞核中。對於人類細胞而言，一個細胞核中的DNA分子總長約為2 m，而細胞核的直徑僅為5~10 μm。所以，必然存在一種機制把特別長的DNA分子裝進肉眼不可見的細胞裡。染色質由DNA、組蛋白和非組蛋白等成分組成並凝聚成一條染色體（寬約1400 nm）。濃縮的染色質（直徑約700 nm）則由更細的染色質纖維（直徑300 nm）和核小體（直徑30 nm）組成。核小體是染色質的核心結構元件，由4種核心組蛋白H2A、H2B、H3和H4各兩分子組成一個球狀蛋白八聚體，周圍纏繞著約147 bp的DNA（直徑2 nm）。顯然，這種盤繞方式不足以把2 m長的DNA塞進細胞核。於是，核小體串珠結構又被進一步摺疊纏繞形成長為2~10 μm的染色單體（圖1），使其可以塞進細胞核。在這個過程中，DNA分子的長度共被壓縮了8000~10000倍［1-2］。

圖1 染色質在細胞內的組織［1］

蛋白質的結合之門——開放染色質區

細胞核的內部是一個高頻動態的體系，大多數染色質以直徑為30 nm染色質纖維的形式存在。這是在核小體串珠結構的基礎上螺旋化而成的結構形式。核小體在整個基因組上的分佈是不均勻的。核小體結構緻密的區域，其與基因表達相關的結構區域相對封閉，不利於轉錄因子等調控元件與之結合，從而導致基因沉默；而核小體分佈較少的區域，允許轉錄調控元件與這些區域的啟動子、增強子相互接近並結合，進而調控基因表達（圖2）［3］。因此，染色質DNA在行使轉錄以及複製合成的功能過程中，蛋白質需要脫離DNA，使其處於裸露狀態，即摺疊結構變成鬆散狀態時，這種裸露的DNA便於啟動轉錄以調控基因的表達。

這種允許啟動子、增強子、絕緣子、沉默子等順式調控元件和反式作用因子能夠與染色質DNA物理接觸的程度就稱為染色質可及性（Chromatin Accessibility），由核小體的佔有率和拓撲結構以及其他阻礙DNA結合的染色質結合因子決定。簡而言之，染色質可及性就是指染色質的物理壓縮程度。這個過程類似於將一份壓縮檔案（封閉染色質）進行解壓（開放染色質）後才能看到具體的檔案內容。

圖2 染色質可及性的動態變化

TF，轉錄因子（transcription factor）； Pol Ⅱ， RNA聚合酶Ⅱ

叩開與蛋白質結合之門

為了研究在不同的細胞生物程序中染色質的結構與其功能之間的關係，就需要對活躍的開放區域進行分析。目前研究染色質可及性的方法主要是將酶切法或物理化學方法與下一代測序技術結合，檢測染色質開放或受保護的區域。常用的方法有脫氧核糖核酸酶I超敏位點測序（DNaseI hypersensitive site sequencing，DNase-seq）、微球菌核酸酶測序（micrococcal nuclease sequencing，MNase-seq）、甲醛輔助分離調控元件測序（formaldehyde-assisted isolation of regulatory elements sequencing，FAIREseq）以及轉座酶可及性測序（assay for targeting accessible-chromatin with high-throughout sequencing，ATAC-seq）（圖3）。

圖3 檢測染色質可及性和核小體定位的實驗方法

MNase-seq

利用MNase消化核小體之間裸露的DNA區域，從染色質中釋放出核小體，然後富集與核小體結合的DNA片段並測序。繪製核小體的位置圖譜，從而間接反應出染色質的可及性區域。

DNase-seq

利用核酸內切酶DNase I對基因組DNA進行非特異性的消化和切割，而與核小體結合的DNA序列不會被DNase I切割，正是因為這個特點，透過確定DNase I消化後留下的DNA片段，就能夠獲得開放染色質的資訊。

FAIRE-seq

基因組DNA透過交聯劑甲醛共價結合到染色質蛋白質上，利用超聲波將染色質剪下成碎片，苯酚-氯仿抽取後，纏繞有DNA的核小體分佈於兩相交界處，而無核小體的DNA則分佈於水相中。對水相中的DNA進行測序分析，就可以確定開放染色質區域。

ATAC-seq

使用了一個預先裝載DNA接頭的Tn5轉座酶，旨在對基因組進行酶切的同時標記被剪下的DNA片段。由於空間位阻，大多數的DNA標籤序列被整合到染色質開放區域。是近年來分析全基因組染色質可及性首選的技術方法。

以上4種方法中，除FAIRE-seq是使用超聲波物理破碎基因組DNA外，MNase-seq、DNase-seq和ATAC-seq都是基於不同的酶對DNA片段進行切割；MNase-seq直接檢測與核小體結合的DNA序列，繪製出核小體佔據圖，從而間接反映出染色質的可及性區域，另外3種方法則直接檢測染色質開放區域。每一種分析方法各有其優點和侷限性（見下表）。這些方法通常反映了多個細胞的平均狀態，無法分析群體細胞之間出現的差異，為了解決這一問題，科學家們開發出了單細胞scDNase-seq、scMNase-seq和scATAC-seq分析技術。在同一單細胞上同時進行多組學的聯合分析在疾病研究和理解基因組功能領域上具有廣闊的應用前景。

研究染色質可及性的意義

基因的表達調控可以透過改變染色質的拓撲結構或染色質修飾來實現。當組蛋白和DNA之間的結合力增加時，染色質濃縮成閉合構象並阻止轉錄因子進入DNA，導致基因抑制。相反，當組蛋白與DNA之間的結合力降低時，染色質解聚形成“開放”構象，使轉錄因子可接近DNA，從而導致轉錄啟用。隨著組織形態和功能的發展，細胞的表觀遺傳狀態和基因表達譜發生動態變化，並隨著環境的變化而不斷變化，調節與形態發生和譜系指定相關的基因表達。染色質這種動態的重塑變化與胚胎髮育、細胞衰老、腫瘤發生、免疫、細胞命運決定過程密切相關［4-6］。此外，染色質的動態結構還和人類健康有關。在全基因組層面對染色質可及性有了全域性的認識後，就可以破譯基因轉錄調控中的有效調控元件，為深入認識疾病的致病機制提供新的思路。（詳情請點選下方閱讀原文）

參考文獻

［1］ Tonna S， El-Osta A， Cooper M E， et al。 Metabolic memory and diabetic nephropathy： potential role for epigenetic mechanisms。 Nat Rev Nephrol， 2010， 6（6）：332-341

［2］ Klemm S L， Shipony Z， Greenleaf W J。 Chromatin accessibility and the regulatory epigenome。 Nat Rev Genet， 2019， 20（4）：207-220

［3］ Minnoye L， Marinov G K， Krausgruber T， et al。 Chromatinaccessibility profiling methods。 Nat Rev Methods Primers， 2021， 1（1）：1-24

［4］ Lee J H， Kim E W， Croteau D L， et al。 Heterochromatin： anepigenetic point of view in aging。 Exp Mol Med， 2020， 52（9）：1466-1474

［5］江小霞，王常勇。表觀遺傳學與組織工程。生命科學， 2020， 32（3）：299-307［6］ Nemec S， Kilian K A。 Materials control of the epigeneticsunderlying cell plasticity。 Nat Rev Mater， 2020， 6（1）：69-83

作者簡介

許蘭，海南醫學院細胞生物學專業在讀碩士研究生。

研究方向為細胞分化與表觀遺傳。