DNA不打結的秘密

DNA不打結的秘密

DNA環能讓細菌聚集在局部區域。圖片來源：L.Mirny

Leonid Mirny在辦公椅上轉了一圈，抓起電腦的電源線，用手指繞出了一個甜甜圈大小的環。“這就是馬達蛋白不斷擠壓成環的動態過程！”美國麻省理工學院生物物理學家Mirny興奮地說。

但讓Mirny興奮的原因并不是將電腦配件收拾整齊，而是基因組的一個核心組織原則——約2米長的DNA是如何被壓縮到人體的幾乎每個細胞中，而沒有像圣誕彩燈一樣纏成一團亂麻的。

他認為DNA不斷穿過環狀的馬達蛋白，從而形成了環。這一過程被稱為環擠壓，它有助于將DNA局部區域維系在一起，與基因組的其他部分分開，甚至還協助了染色體形成一定的形狀和結構。

過去幾十年來，科學家也探討過相似的假說，但在基因組3D結構研究大發展的當代，Mirny的模型，以及美國貝勒醫學院遺傳學家Erez Lieberman Aiden提出的一個類似的模型，讓這些假說在分子細節層面上升到了新的高度。這些模型巧妙地解釋了一些知名基因研究項目的數據，并因此備受關注。

然而，這些簡單的解釋仍然存在爭議。盡管人們已明確基因組成環會調控基因表達，并且可能與細胞發育和癌癥等疾病相關，但這些模型的預測已經超出了現有實驗觀測范圍。

首先，成環的分子機制仍然是謎。如果主要的候選蛋白如同Mirny所預測的那樣充當動力“馬達”，那它就會以前所未見的速度消耗能量。“我的一個物理學家朋友告訴我，‘這就是你的領域中的希格斯玻色子’。”Mirny說，它能解釋基因組生物學最深的奧秘之一，但可能需要多年時間才能獲得驗證。

盡管Mirny的模型與Lieberman Aiden的模型極為相似，但辨清誰才是正確的并不僅僅是個細節問題。英國牛津大學染色體研究者Kim Nasmyth說，如果Mirny正確，“就將是DNA酶學界一場徹底的革命”，究竟是什么驅動了環的形成“是目前基因組生物學領域最大的難題”。

基因成環

30多年前，遺傳學家就知道基因組可以形成環，使調控因子接近它們所控制的基因，但并不清楚這些環是如何形成的。

多年來，一些研究者分別提出了環擠壓理論的不同版本。第一個是美國希望之城貝克曼研究所遺傳學者Arthur Riggs，在一篇被忽視的1990年論文中，他率先提出一個“DNA成卷”的想法。但人們普遍認為首先提出該概念的是Nasmyth。

按照Nasmyth的說法，2000年的某一天，他在意大利阿爾卑斯山區登山后產生了這個想法。那時，他和同事剛剛發現環狀的黏連蛋白，這種蛋白復合體的主要作用是在細胞分裂時幫助分離染色體拷貝。在擺弄自己的登山工具時，Nasmyth突然意識到，染色體可能是主動穿過黏連蛋白或者相關的復雜凝縮蛋白的，就像繩子繞過登山扣一樣。“這似乎解釋了一切。”他說。

在一篇長達73頁的綜述中，Nasmyth用幾個段落描述了這個想法。“根本沒人注意到它。”他說。就連美國西北大學生物物理學家John Marko也沒有對此提起注意——正是他在十多年后建立了與Nasmyth文字論證相補充的數學模型。

大約5年后，Mirny也加入了該行列。他希望能解釋其長期合作者、麻省大學醫學院生物學家Job Dekker編制的數據集。Dekker一直在利用Hi-C技術尋找染色體不同位置間的物理相互作用。

Dekker及合作者生成的Hi-C快照揭示出了明顯呈不同區隔的環，其相互作用發生在20萬～100萬堿基長的離散DNA片段間。

這些“拓撲關聯結構域”（TAD）就像一列擁擠的火車上的車廂。人們能在同一節車廂中走動，接觸其他乘客，但只有穿過車廂盡頭的門才能與相鄰車廂的乘客互動。人類基因組長達30億核苷酸，但大多數相互作用發生在局部TAD區域內。

其中，一個關鍵的線索是CTCF蛋白。人們已經知道，它在未凝集染色體的每個環的基部與黏連蛋白相互作用。Mirny的模型假設CTCF是黏連蛋白的一個終止標志。如果黏連蛋白只在正在形成的環的每一側都遇到CTCF時才停止擠壓DNA，蛋白就會自然結合在一起。

加州大學舊金山分校生物物理學家Geoff Fudenberg表示，提出黏連蛋白發揮了驅動作用是“一個巨大的跨越”。“沒有人曾在活細胞中，甚至體外觀察到過這些馬達蛋白發揮這樣的作用，但利用這一原理，數據所呈現出的所有不同特征都能得到統一。”他說。

多重發現

Lieberman Aiden提到，他在2015年3月的一個電話會議中首次產生了環擠壓的想法。那時，他和前導師、博德研究所遺傳學家Eric Lander已經發表了當時分辨率最高、最為詳細的Hi-C人類基因組圖譜。

在電話會議中，Lieberman Aiden試圖解釋數據中一個奇怪現象。幾乎所有固定環的CTCF結合點都有相同的方向。他意識到，作為擠壓的終止標志，CTCF具有固有的方向性。就像同司機不必理會交叉路口中與他們前進方向不同的停車標志，環擠壓因子也會一直通過CTCF位點，除非終止標志朝向的是正確的方向。

Lieberman Aiden實驗室通過系統敲除CTCF結合位點測試了這一模型，并重新繪制了Hi-C染色體圖譜。得到的數據再一次與模型吻合。2015年7月，團隊投出了他們的論文，并在三個月后發表。

實際上，Mirny于2015年8月在bioRxiv發布的文章用計算機模擬解釋了CTCF的方向偏好。而這兩種模型做出了同樣的預測，這使得一些人猜測Lieberman Aiden的想法是不是來自Mirny的論文。但Lieberman Aiden堅稱自己獨立提出了他的模型。“我們在看到他們的手稿前就提交了文章，”他說。

不過，這兩個模型間存在微小差別。Mirny用來描述他模型的漫畫顯示，擠壓過程由一個黏連蛋白的環完成，而Lierberman Aiden的模型中有兩個呈手銬狀連接的環。

英國倫敦大學學院細胞生物學家Suzana Hadjur稱，在確定黏連蛋白在擠壓過程中扮演的角色時，這一機制上的細微差別“絕對是基礎性的”。

此外，Lieberman Aiden和Mirny在黏連蛋白在環形成過程中的核心貢獻上持有不同意見。Mirny堅持該蛋白是成環的驅動力，而Lieberman Aiden反對這種觀點，他猜測是其他因子在驅動黏連蛋白移動。

細菌電池

可能最接近于證實黏連蛋白發揮著馬達作用的實驗結果發表于今年2月。哈佛大學醫學院細菌細胞生物學家David Rudner和同事制作了枯草芽孢桿菌的延時Hi-C圖譜。該圖譜顯示，細菌中與黏連蛋白和凝縮蛋白等效的蛋白復合體SMC沿著染色體壓縮，并以每分鐘超過5萬DNA堿基的速度成環。這一速度與研究者所估計的Mirny模型在人類細胞中發揮作用所需的速度相當。

雖然，Rudner尚未證明SMC在這一過程中利用了能提供能量的三磷酸腺苷（ATP），但他表示自己已經很接近了；如果黏連蛋白在人類細胞中的工作方式與之不同的話，他會“大吃一驚”。

到目前為止，關于黏連蛋白究竟在細胞內做了什么（或者沒做什么）的爭論仍甚囂塵上。許多研究者，包括加州大學伯克利分校細胞生物學家Doug Koshland，堅持認為需要對Mirny的看法保有合理的懷疑。“我擔心環擠壓模型已經被寫進了教科書，盡管現在還不是時候。”他說。

此外，Mirny指出，盡管這似乎只是專家間的學術爭論，但如果他的模型是正確的，也將會對人們的生活產生影響。例如，在癌癥中，黏連蛋白常常發生突變，CTCF位點也會改變。人們也在一些人類發育障礙中發現了黏連蛋白缺陷。Mirny表示，如果環擠壓過程是這些疾病背后的原因，或許更深入地理解馬達蛋白將有助于解決這些問題。

但他的主要興趣仍在基礎問題上。他只想了解為什么DNA是以現在的方式裝配的。與此同時，盡管他的模型對黏連蛋白做了大量假設，但“問題是除此之外，我并不知道任何能解釋這些環的形成的其他方式。”Mirny說。（張章編譯）