DNA控制细胞识别程序的3D组织

威尔康奈尔医学研究人员的一项新研究表明，除了提供一种在狭小空间内储存DNA的便捷方法之外，染色质中非编码基因调节因子的3D组织还有助于控制早期胚胎发育中的关键细胞识别程序。

这些结果对于理解这一关键时期以及3D染色质结构的变化如何导致发育异常或糖尿病或癌症等疾病具有重要意义。

该研究于12月5日发表在《自然结构与分子生物学》杂志上，为复杂的遗传调控层提供了新的见解。它表明，在胚胎发育的最早阶段，DNA3D组织的变化决定了细胞的命运决定。

DNA的非编码片段称为增强子，它调节其他基因的时空表达，发挥着关键作用。

DNA在微小细胞核中折叠的方式使这些增强子靠近它们所调节的基因，并决定打开哪些基因表达程序。他们表明，这种类型的3D表观遗传调控对于胚胎中形成的第一个细胞谱系的形成至关重要。他们还发现了高度相互作用的“3D中心”，即增强子和基因簇，它们在决定这些细胞命运方面发挥着至关重要的作用。

“如果你想了解基因表达或基因表达程序的调控，了解DNA的三维组织绝对至关重要，”威尔康奈尔医学院医学分子生物学副教授、主要作者EffieApostolou说。“了解3DDNA错误折叠如何导致疾病中基因程序失调也至关重要。”

阿波斯托卢说，不久前，科学家将非编码DNA片段称为“垃圾DNA”。

然而，科学家们已经了解到，DNA的非编码片段在控制其他基因的表达方面发挥着关键作用，而且通常与基因距离很远，并且这些增强子的突变、沉默或重新连接可能会导致疾病。

但基因组中有数十万个潜在的非编码增强子，将它们与它们控制的基因进行匹配并预测哪些是有影响力的仍然非常棘手。

“识别功能增强子并将其分配给正确的靶基因，并确定增强子是否以协同、竞争或冗余的方式协同工作是非常困难的，”她说。

“我们现在相信，通过了解所有这些元素如何在3D核中相互作用，可以解决其中许多挑战。”

在这项研究中，Apostolou及其同事在动物模型中检查了胚胎发育最早阶段细胞核中折叠DNA的3D结构。他们表明，当细胞开始转变为前三种不同的细胞谱系时，细胞核中会发生明显的重塑，从而导致不同细胞类型之间DNA的3D结构发生变化。

这些差异决定了每种细胞类型的基因表达模式。他们发现最活跃的细胞类型特异性(或特征)基因聚集在相应细胞类型的“3D中心”中。

“我们绘制了早期发育过程中前三个细胞系中DNA的3D组织图，并利用这些图来寻找有助于控制每个细胞系命运的关键非编码基因增强子，”她说。

研究合著者AlexanderPolyzos是威尔康奈尔医学院医学分子生物学计算讲师​​，他建立了这些3D相互作用的机器学习模型，以预测早期发育过程中每种细胞类型中哪些基因将被开启以及开启程度。该模型比以前未考虑此级别3D组织的模型更准确。

“通过绘制3D相互作用图谱，我们更好地了解了基因表达的控制因素，以及基因如何在不同细胞命运之间的转变过程中协调改变其水平，”Apostolou说，他也是Sandra和EdwardMeyer癌症协会的成员威尔康奈尔医学中心。

她解释说，特定细胞类型中DNA的3D组织可能会使该细胞类型中最重要的基因和基因增强子在物理上彼此靠近，以实现它们的相互作用。

相比之下，研究人员还表明，“管家基因”的活性对基本细胞功能至关重要，并且无论细胞类型如何都活跃，受3D组织和与远端增强子相互作用的影响较小。

然后，他们使用该模型系统地测试当你通过针对单个增强器或中心来“破坏”这个组织时会发生什么。他们发现靶向中心对基因表达的影响最大。

该团队的下一步是研究使用人类细胞进行DNA和基因表达的3D包装。他们正在与其他研究人员合作，以确定这种3D架构的破坏如何导致癌症或糖尿病等疾病。

Apostolou说：“我们希望建立更多模型来了解增强子和基因如何在3D细胞核中进行交流，以及在不同疾病的背景下会发生什么变化。”

该研究还为科学家对细胞身份的表观遗传调控的理解增添了另一层内容。阿波斯托卢解释说，最初，科学家们专注于识别编码基因及其作用。接下来，他们研究了打开和关闭基因的非编码遗传元件。现在，他们还必须考虑两者的3D组织。

“了解DNA包装的3D架构将所有这些结合在一起，以便更好地了解基因、它们的调节因子以及它们如何相互作用，并发现调节这些复杂关系以重新编程细胞身份的新方法，”她说。DNA控制细胞识别程序的3D组织

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发表于2天前

在一种称为染色质的复合物中，细胞核中的长链DNA紧紧包裹在蛋白质支架上，就像卷起的毛线球一样。

DNA——艺术诠释。

DNA——艺术诠释。图片来源：AliusNoreika，使用BingImageCreator创建

威尔康奈尔医学研究人员的一项新研究表明，除了提供一种在狭小空间内储存DNA的便捷方法之外，染色质中非编码基因调节因子的3D组织还有助于控制早期胚胎发育中的关键细胞识别程序。

这些结果对于理解这一关键时期以及3D染色质结构的变化如何导致发育异常或糖尿病或癌症等疾病具有重要意义。

该研究于12月5日发表在《自然结构与分子生物学》杂志上，为复杂的遗传调控层提供了新的见解。它表明，在胚胎发育的最早阶段，DNA3D组织的变化决定了细胞的命运决定。

DNA的非编码片段称为增强子，它调节其他基因的时空表达，发挥着关键作用。

DNA在微小细胞核中折叠的方式使这些增强子靠近它们所调节的基因，并决定打开哪些基因表达程序。他们表明，这种类型的3D表观遗传调控对于胚胎中形成的第一个细胞谱系的形成至关重要。他们还发现了高度相互作用的“3D中心”，即增强子和基因簇，它们在决定这些细胞命运方面发挥着至关重要的作用。

“如果你想了解基因表达或基因表达程序的调控，了解DNA的三维组织绝对至关重要，”威尔康奈尔医学院医学分子生物学副教授、主要作者EffieApostolou说。“了解3DDNA错误折叠如何导致疾病中基因程序失调也至关重要。”

阿波斯托卢说，不久前，科学家将非编码DNA片段称为“垃圾DNA”。

然而，科学家们已经了解到，DNA的非编码片段在控制其他基因的表达方面发挥着关键作用，而且通常与基因距离很远，并且这些增强子的突变、沉默或重新连接可能会导致疾病。

但基因组中有数十万个潜在的非编码增强子，将它们与它们控制的基因进行匹配并预测哪些是有影响力的仍然非常棘手。

“识别功能增强子并将其分配给正确的靶基因，并确定增强子是否以协同、竞争或冗余的方式协同工作是非常困难的，”她说。

“我们现在相信，通过了解所有这些元素如何在3D核中相互作用，可以解决其中许多挑战。”

在这项研究中，Apostolou及其同事在动物模型中检查了胚胎发育最早阶段细胞核中折叠DNA的3D结构。他们表明，当细胞开始转变为前三种不同的细胞谱系时，细胞核中会发生明显的重塑，从而导致不同细胞类型之间DNA的3D结构发生变化。

这些差异决定了每种细胞类型的基因表达模式。他们发现最活跃的细胞类型特异性(或特征)基因聚集在相应细胞类型的“3D中心”中。

“我们绘制了早期发育过程中前三个细胞系中DNA的3D组织图，并利用这些图来寻找有助于控制每个细胞系命运的关键非编码基因增强子，”她说。

研究合著者AlexanderPolyzos是威尔康奈尔医学院医学分子生物学计算讲师​​，他建立了这些3D相互作用的机器学习模型，以预测早期发育过程中每种细胞类型中哪些基因将被开启以及开启程度。该模型比以前未考虑此级别3D组织的模型更准确。

“通过绘制3D相互作用图谱，我们更好地了解了基因表达的控制因素，以及基因如何在不同细胞命运之间的转变过程中协调改变其水平，”Apostolou说，他也是Sandra和EdwardMeyer癌症协会的成员威尔康奈尔医学中心。

她解释说，特定细胞类型中DNA的3D组织可能会使该细胞类型中最重要的基因和基因增强子在物理上彼此靠近，以实现它们的相互作用。

相比之下，研究人员还表明，“管家基因”的活性对基本细胞功能至关重要，并且无论细胞类型如何都活跃，受3D组织和与远端增强子相互作用的影响较小。

然后，他们使用该模型系统地测试当你通过针对单个增强器或中心来“破坏”这个组织时会发生什么。他们发现靶向中心对基因表达的影响最大。

该团队的下一步是研究使用人类细胞进行DNA和基因表达的3D包装。他们正在与其他研究人员合作，以确定这种3D架构的破坏如何导致癌症或糖尿病等疾病。

Apostolou说：“我们希望建立更多模型来了解增强子和基因如何在3D细胞核中进行交流，以及在不同疾病的背景下会发生什么变化。”

该研究还为科学家对细胞身份的表观遗传调控的理解增添了另一层内容。阿波斯托卢解释说，最初，科学家们专注于识别编码基因及其作用。接下来，他们研究了打开和关闭基因的非编码遗传元件。现在，他们还必须考虑两者的3D组织。

“了解DNA包装的3D架构将所有这些结合在一起，以便更好地了解基因、它们的调节因子以及它们如何相互作用，并发现调节这些复杂关系以重新编程细胞身份的新方法，”她说。