为了揭开这些谜团,来自美国约翰霍普金斯大学医学院、波士顿儿童医院等多个研究机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature》杂志上,为我们理解基因组的组织原则带来了新的曙光。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先是 Condense-seq 技术,该技术能够在全基因组范围内以单核小体分辨率测定凝聚性;其次运用了染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq),用于分析染色质状态和组蛋白修饰;此外,还通过染色质聚合物模拟来探究核小体相互作用与基因组组织的关系。研究样本包括人类和小鼠胚胎干细胞以及分化细胞。
在研究结果方面:
- 单核小体凝聚性的测定与特性:研究人员利用多种 DNA 和核小体凝聚剂(如多胺、钴六胺等)诱导天然核小体体外凝聚。通过 Condense-seq 技术,他们发现染色体上已知划分到 A 区室的区域凝聚性低,B 区室的区域凝聚性高。并且,凝聚性与基因表达呈显著负相关,在启动子附近尤其明显,且具有细胞类型依赖性。例如,在 H1 人类胚胎干细胞(H1-hESCs)中,基因表达与凝聚性的斯皮尔曼相关性为 -0.8。
- 核小体编码 A/B 区室的证据:研究表明,核小体凝聚性与 A/B 区室得分在染色体范围内呈负相关。通过染色质聚合物模拟,仅以凝聚性作为输入,就能重现 A/B 区室,这意味着天然单核小体本身具备许多用于大规模 A/B 区室化的生物物理属性。
- 遗传和表观遗传基础:通过分析,发现凝聚性与 AT 含量、某些组蛋白修饰(如 H3K36me3、H3K9me3等)密切相关。利用合成核小体 PTM 文库研究发现,除磷酸化外,大多数单一修饰会降低凝聚性,泛素化作用最为显著。同时,研究还证实组蛋白修饰在决定基因组核小体凝聚性中起主要作用。
- 3D 基因组与静电作用:研究人员发现,多种离子凝聚剂诱导的染色体范围凝聚性与基因表达均呈负相关,且相互之间凝聚性具有较强相关性,这进一步表明核小体间的静电相互作用是大规模基因组区室化的主要驱动力。
- 多胺缺失的影响:在小鼠 T 细胞实验中,敲除或抑制鸟氨酸脱羧酶(ODC)导致多胺缺失后,核小体凝聚性发生超极化,即高凝聚性的核小体变得更凝聚,低凝聚性的变得更低。这不仅影响全局基因组区室化,还导致局部染色质紊乱,尤其是发育相关基因,进而可能影响细胞分化。
研究结论和讨论部分指出,本研究揭示了天然核小体核心颗粒通过静电作用编码重要的生物物理信息,这些信息对于大规模组织(如 A/B 区室)和局部组织(如启动子和增强子)至关重要。研究结果还表明,30-nm 纤维在细胞中可能并不形成,且个体核小体的内在凝聚性为染色体组织提供了生物物理背景。此外,研究人员还探讨了凝聚性与基因表达的因果关系,认为细胞可能通过调节启动子核小体的凝聚性来调控基因表达。
这项研究意义重大,它为理解基因组组织的基本机制提供了关键见解,有助于深入研究细胞分化、发育以及疾病发生发展过程中的基因组变化。同时,研究多胺在基因组组织中的作用,也为相关疾病的治疗提供了潜在的新靶点和方向。