日本福冈——九州大学的研究人员揭示了DNA特定区域之间的空间距离是如何与基因活动的爆发联系在一起的。利用先进的细胞成像技术和计算机建模，研究人员表明，DNA的折叠和运动，以及某些蛋白质的积累，取决于基因是活跃还是不活跃。这项研究发表在12月6日的《科学进展》杂志上，揭示了基因表达的复杂世界，并可能为基因表达调节不当引起的疾病带来新的治疗技术。

基因表达是发生在细胞内的一个基本过程，主要有两个阶段：转录（DNA被复制成RNA）和翻译（RNA被用来制造蛋白质）。为了让每个细胞在体内发挥其特定的功能，或者对不断变化的环境做出反应，必须在适当的时间产生适量的蛋白质，这意味着必须小心地打开和关闭基因。

以前，基因转录被认为是一个连续的、平稳的过程。但随着更好的技术来观察单个细胞，科学家们现在知道转录发生在短时间内，不可预测的爆发。

“一个基因会随机开启几分钟，大量的RNA会产生。然后，基因会突然再次关闭，”来自九州大学生物调控医学研究所的Hiroshi Ochiai教授说，他是该研究的资深作者。“它发生在几乎所有基因和所有生物中，从植物到动物再到细菌。”

这种不稳定和动态的转录性质，被称为转录爆发，是控制单个细胞中基因活性的关键机制。这就是为什么同一组织或培养环境中的细胞在基因表达水平上表现出差异的原因之一，这对早期胚胎发育和癌症进化等过程至关重要。然而，爆炸背后的确切机制仍然未知。

在这项研究中，研究人员决定研究被称为增强子和启动子的DNA序列的作用，以及它们的空间距离如何影响转录爆发。启动子通常位于基因旁边，是执行转录的蛋白质附着在DNA上的地方。另一方面，增强子通常距离基因数十万个碱基，但随着DNA链的移动和折叠，增强子仍然可以在三维空间中靠近基因，从而放大基因活性。

Ochiai说：“我们相信增强子在转录在活动爆发中发生的原因中起着至关重要的作用，但到目前为止，研究还不清楚。”

为了验证这个想法，Ochiai和他的团队使用了一种称为seq-DNA/RNA-IF-FISH的先进成像技术，该技术可以用荧光探针标记DNA， RNA和特定蛋白质。这种三层技术允许研究人员同时在单个小鼠胚胎干细胞的三维空间中捕获DNA、RNA和特定蛋白质的位置。有了这些信息，研究小组可以确定某些基因是开启还是关闭，看到启动子和增强子在活动爆发时如何相互作用，以及蛋白质在哪里积聚，以前所未有的细节水平。

作为一个例子，研究人员专注于一种名为Nanog的基因，这是6号染色体上长度为77万个碱基的DNA，它有一个启动子和三个增强子区域，已知在培养的小鼠胚胎干细胞中会发生转录破裂。

研究人员发现，在Nanog RNA存在的成像细胞中（这意味着该基因是活跃的），距离最远的增强子位于Nanog基因附近的空间。相反，当Nanog不活跃时，成像显示相同的增强子区域在物理上更远。

此外，科学家们还发现，当Nanog活跃时，参与调节转录的蛋白质也在增强子和启动子周围的区域积累。

为了更好地理解这一机制，Ochiai和他的团队使用计算机建模来模拟DNA的不同部分是如何在细胞内相互作用和移动的，无论Nanog基因是活跃的还是不活跃的。

他们通过使用成像实验的数据来开发他们的模型，以绘制DNA不同区域相互作用的频率以及DNA在空间中如何折叠的“地图”。利用这张地图，该模型随后模拟了DNA链如何随机移动。

该模型预测，当处于激活状态时，每个增强子区域与启动子相互作用的时间是基因不活跃时的两倍多。

该模型显示，这些较长时间的相互作用是由于DNA周围的“摩擦”而发生的。当Nanog活跃时，由于蛋白质和RNA的积累，液体变得更加粘稠，导致模拟的DNA链移动缓慢。因此，这种基因能够在更长的时间内保持活跃。相比之下，当Nanog不活跃时，模拟DNA移动得更快，这意味着启动子和增强子没有时间相互作用。

“模型表明，由于这些强化循环，爆炸是稳定的，”Ochiai总结道。“当然，这只是一个模拟。下一步是证明这种机制也发生在细胞中。”