Nature：迄今为止最完整，最高分辨率的染色体结构和基因调控图谱

一项最新研究完成了大量工作，绘制出酵母基因组上400多种蛋白质的精确结合位置的图谱，从而产生了迄今为止最完整，最高分辨率的染色体结构图谱和基因调控图谱。

这项研究揭示了两种截然不同的基因调控架构，扩展了传统的基因调控模型，研究指出那些具有基本“管家”功能并且几乎始终处于低水平活跃状态的所谓组成型基因，只需要一套基本的调节控制即可。而那些被环境信号激活的基因（称为可诱导基因）则具有更加专业的架构。酵母中的这一发现为更好地了解人类基因组的调控结构打开一扇门。

这一研究论文发表在3月10日的Nature杂志上。

提出问题

宾州州立大学，文章一作者Matthew J. Rossi说：“当我第一次了解DNA时，书本告诉我要把基因组看作一个包含每一本书的图书馆。基因组被存储为DNA，RNA和蛋白质复合物的一部分，即"染色质"。蛋白质与DNA的相互作用调节了何时何地表达基因，产生RNA，就像是读一本书，学习或做出特定的东西。但是我一直想知道的是，它是如此复杂，如何在需要某本书的时候就能正确的找到呢？这就是我们在这项研究中试图回答的问题。”

细胞如何选择正确的书，取决于调节蛋白及其与染色质中DNA的相互作用，这可以称为基因组的调节结构。酵母细胞可以通过改变这种调控结构来打开或关闭不同的基因，从而对环境的变化做出反应。

在人类等多细胞生物中，肌肉细胞，神经元和其他每种细胞类型之间的差异是通过调节那些细胞表达的基因来确定的。因此，了解控制这种差异基因表达的机制对于理解人体对环境的反应，有机体发育和进化至关重要。

康奈尔大学分子生物学和遗传学教授，研究项目的负责人B. Franklin pugh说：“蛋白质需要从基因中募集和组装，才能被打开。我们绘制了这些蛋白质的最完整，最高分辨率的图谱，显示了它们与酵母基因组结合的位置，并揭示了它们如何相互作用，调节基因表达的各个方面。”

技术方法

该团队使用一种称为ChIp-exo的技术，它是ChIp-seq的高分辨率版本，可精确且可重复地绘制与酵母基因组相互作用的约400种不同蛋白质的结合位置。

研究人员利用ChIp-exo，让蛋白质与活细胞内部的DNA化学交联，从而将其锁定在适当的位置。然后将染色体从细胞中移出并剪切成较小的碎片。其后抗体捕获特定的蛋白质和与其结合的DNA片段。接下来，可以通过对附着在蛋白质上的DNA进行测序，然后将该序列重新定位到基因组中，从而找到蛋白质与DNA相互作用的位置。

“在传统的ChIp-seq中，附着在蛋白质上的DNA片段仍然很大且长度可变，超出实际蛋白质结合位点100至500个碱基对。

在ChIp-exo中，我们增加了一个额外的步骤：用一种叫做核酸外切酶的酶来修饰DNA。这样可以去除不受交联蛋白保护的任何多余DNA，从而使我们可以获得更精确的结合位置。”

该团队进行了1200多次单独的ChIp-exo实验，产生了数十亿个单独的数据点。对大量数据的分析利用了宾州州立大学的超级计算集群，并开发了几种新颖的生物信息学工具，其中包括可以识别模式并揭示酵母基因组中调节蛋白的组织的多方面计算工作流程。

该分析类似于从数百个卫星图像中提取地面上重复的特征类型，分析揭示了令人惊讶的少数独特蛋白质组合，可在整个酵母基因组中重复使用。

另外一位作者Shaun Mahony说：“数据的分辨率和完整性使我们能够鉴定出21种蛋白质组合，也发现了管家基因中没有特定的调控信号。我们已经开发出用于分析这些数据的计算方法，可以作为在更复杂的生物体中进行基因调控研究的进一步发展的起点。”

传统的基因调控模型涉及“转录因子”，这些蛋白质与特定的DNA序列结合，控制附近基因的表达。但是，研究人员发现，酵母中的大多数基因均不遵守该模型。

“我们惊讶地发现管家基因缺乏一种蛋白质-DNA结构，该结构允许特定的转录因子结合，这是可诱导基因的标志。”

“这些基因似乎只需要一套通用的蛋白质就可以访问DNA及其转录，而无需太多的调节。这种模式是否也出现在像人类这样的多细胞生物体中，还尚待观察。这个命题要复杂得多。但是就像人类基因组测序完成之前，科学家们完成的是酵母基因组的测序，我相信我们最终将能够以高分辨率看到人类基因组的调控结构。”

（生物通：万纹）

原文链接：

http://dx.doi.org/10.1038/s41586-021-03314-8

A high-resolution protein architecture of the budding yeast genome