两位干细胞大牛Cell Stem Cell携手发布新成果

　　

生物通报道  Whitehead研究所的研究人员构建出了在人类胚胎干（ES）细胞和成体细胞中构成人类基因组三维（3D）结构，并调控了基因表达的DNA环的图谱。一些基因和调控元件在这一染色体框架内的定位有可能帮助科学家们更好地指导他们的基因组研究，确立突变与疾病发生发展之间的关系。这一成果发布在12月10日的《细胞干细胞》（Cell Stem Cell）杂志上。

Whitehead生物医学研究所的Richard A Young博士和Rudolf Jaenisch是这项研究的共同领导者。Young是人类胚胎干细胞调节通路的先驱，也是世界知名的基因组研究专家，他为利用组学工具研究干细胞做出了重要的贡献。Jaenisch是干细胞研究领域的权威人物，他是Whitehead研究所的创始人之一，曾经担任过国际干细胞学会的主席。其在一系列的领域做出了有影响的工作，包括基因敲除小鼠、表观遗传学研究、核移植、iPSC等，解决了这些领域几乎所有的重要问题。

Young说：“这是一个变革。这张图谱使得我们能够以比以往更高的精度预测出在正常细胞中基因的调控机制，及在疾病中它们是如何受到错误调控的。”

为了调控基因表达，调控元件需要接触它的靶基因。通过成环，在线性DNA中远离彼此的元件/基因伙伴聚集到一起。大多数的疾病突变都发生于调控元件中，如果不清楚看似遥远的基因和调控元件之间的伙伴关系，突变数据只有有限的用途。这一草图可帮助科学家们预测出突变元件与它们靶基因之间的关系。

论文的共同作者、Young实验室博士后Xiong Ji说：“当我们在思考疾病之时，需要考虑基因组在三维空间中的结构，因为这是我们现在了解基因调控的方式（延伸阅读：华中农大****专家Cell发表基因组重要成果 ）。”

Xiong Ji的共同作者之一、研究生Daniel Dadon说：“这一三维信息有助于我们以前所未有的精度来解读调控和突变数据。这不仅是细胞核中的一包基因和调控元件——而是赋予了功能的高度有组织的结构。”

Young实验室和其他研究团体在以往的小鼠ES细胞研究中，确定了是由CTCFs蛋白介导染色体的DNA形成了锚定在它们碱基之上的环。这些DNA环具有双重利益。首先，这些环帮助组织并将2米长的DNA包装纳入到了直径约为5微米的细胞核中。第二，每个环建立了一个隔绝的邻域，限制了调控元件对定位在同一环中基因的作用。如研究生和共同作者Diego Borges-Rivera所说：“基因组3D形状是基因调控一个潜在的重要机制。”

锐博生物推出最全面的组蛋白修饰ChIP-seq整体服务，免费索取技术资料，咨询报价>> >>

通过研究人类ES细胞，Young实验室和Jaenisch实验室的科学家们构建出了通过CTCF锚定建立起的13,000个环的初始基因组图谱，确定了隔绝邻域的平均长度为200 kb，包含一个基因。研究小组发现在人类ES细胞基因中绘制出的大多数CTCF锚定位点保留于其他的人类细胞类型中，此外这些环锚定序列在灵长类动物基因组中高度保守。这样惊人程度的保守性表明，这些邻域为在整个发育过程中及跨物种保留的基因调控创造了基本框架。

进一步的研究发现凸显了基因组3D结构在人类健康中的重要性，研究小组发现CTCF锚定区域在广泛的癌细胞中发生了突变。研究小组预测，这些新的人类基因组图谱将为进一步认识引起其他疾病的遗传改变奠定基础。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

3D Chromosome Regulatory Landscape of Human Pluripotent Cells

In this study, we describe the 3D chromosome regulatory landscape of human naive and primed embryonic stem cells. To devise this map, we identified transcriptional enhancers and insulators in these cells and placed them within the context of cohesin-associated CTCF-CTCF loops using cohesin ChIA-PET data. The CTCF-CTCF loops we identified form a chromosomal framework of insulated neighborhoods, which in turn form topologically associating domains (TADs) that are largely preserved during the transition between the naive and primed states. Regulatory changes in enhancer-promoter interactions occur within insulated neighborhoods during cell state transition. The CTCF anchor regions we identified are conserved across species, influence gene expression, and are a frequent site of mutations in cancer cells, underscoring their functional importance in cellular regulation. These 3D regulatory maps of human pluripotent cells therefore provide a foundation for future interrogation of the relationships between chromosome structure and gene control in development and disease.