基因组如何设置其功能性微架构

参与胎儿发育的基因在不同组织和不同时间被激活。它们的表达受到所谓的“增强子序列”的严格调节，这些序列通常远离它们的靶基因，并且需要DNA分子环绕并使它们与它们的靶基因非常接近。DNA的这种3D变化又由称为拓扑缔合结构域(TAD)的其他序列控制。EPFL科学家现在研究了胎儿数字发育中涉及的TAD，并对围绕它们的一些重大问题深入了解。这项工作发表在基因组生物学。

边界和磁带

TAD是DNA分子的一部分，它将生物体的整个基因组划分为可管理的块，如城市中的区域。在细胞内，大量的DNA被包装到染色质中，染色质被包装到熟悉的染色体中。在每个TAD内部都存在基因以及调节它们的元素，所有这些都被包装在一起并与邻近TAD中的基因和调节因子隔离，如分隔城区的通道或墙壁。打破TAD设定的界限会导致许多疾病，如结肠癌，食道癌，脑癌和血癌。

但是尽管它们具有重要性，但我们对这些边界知之甚少，这赋予了TAD其结构。这提出了一个问题：信息是来自TAD的内部部分还是来自边界。后者是DNA序列，通常与蛋白质cohesin和CTCF相关，它们像胶带一样粘在TAD末端，似乎有助于它们分裂和环绕DNA。最近，在TAD结构域的边界处发现的CTCF特别令人感兴趣，因为它显示出将TAD结构域彼此隔离而不是单个TAD 结构域内的遗传元件。

数字见解

现在，EPFL的Denis Duboule实验室与他们在日内瓦大学的同事进行的一项研究提供了有关TAD以及他们如何组织DNA的重要见解。“我们正在研究DNA架构和功能，”负责该项目的研究员Pierre Fabre说。

具体来说，科学家研究了杜布勒实验室长期以来的一系列基因，即HoxD基因簇，它控制着哺乳动物胚胎的数字发育。研究人员用它作为模型来了解TAD中多个增强子序列之间的相互作用，以及“组成型接触”，它指的是TAD与蛋白质之间的恒定相互作用，即将HoxD基因组装成DNA染色质，即使没有基因也是如此。转录正在进行中。

研究人员将染色体构象捕获(4C-seq)和DNA荧光原位杂交(FISH)结合起来测量压实水平和TAD离散度。他们还进行了连续的基因组缺失和反转，这些缺失和反转影响了HoxD染色质结构域的完整性，并且还导致了远程调控元件的重塑。这使他们能够评估该领域中TAD架构的稳健性。

数据表明这些TAD可以在Hoxd 基因和多达三种增强子之间存在多种关联，并且破坏染色质的3D结构导致TAD结构的重塑。此外，CTCF似乎在边界选择机制中介导长程DNA接触的门控。“重组TAD的构建取决于不同的功能和内在参数，如基因组距离，”法布尔说。