DNA不打结的秘密

DNA不打结的秘密

DNA环能让细菌聚集在局部区域。图片来源：L.Mirny

Leonid Mirny在办公椅上转了一圈，抓起电脑的电源线，用手指绕出了一个甜甜圈大小的环。“这就是马达蛋白不断挤压成环的动态过程！”美国麻省理工学院生物物理学家Mirny兴奋地说。

但让Mirny兴奋的原因并不是将电脑配件收拾整齐，而是基因组的一个核心组织原则——约2米长的DNA是如何被压缩到人体的几乎每个细胞中，而没有像圣诞彩灯一样缠成一团乱麻的。

他认为DNA不断穿过环状的马达蛋白，从而形成了环。这一过程被称为环挤压，它有助于将DNA局部区域维系在一起，与基因组的其他部分分开，甚至还协助了染色体形成一定的形状和结构。

过去几十年来，科学家也探讨过相似的假说，但在基因组3D结构研究大发展的当代，Mirny的模型，以及美国贝勒医学院遗传学家Erez Lieberman Aiden提出的一个类似的模型，让这些假说在分子细节层面上升到了新的高度。这些模型巧妙地解释了一些知名基因研究项目的数据，并因此备受关注。

然而，这些简单的解释仍然存在争议。尽管人们已明确基因组成环会调控基因表达，并且可能与细胞发育和癌症等疾病相关，但这些模型的预测已经超出了现有实验观测范围。

首先，成环的分子机制仍然是谜。如果主要的候选蛋白如同Mirny所预测的那样充当动力“马达”，那它就会以前所未见的速度消耗能量。“我的一个物理学家朋友告诉我，‘这就是你的领域中的希格斯玻色子’。”Mirny说，它能解释基因组生物学最深的奥秘之一，但可能需要多年时间才能获得验证。

尽管Mirny的模型与Lieberman Aiden的模型极为相似，但辨清谁才是正确的并不仅仅是个细节问题。英国牛津大学染色体研究者Kim Nasmyth说，如果Mirny正确，“就将是DNA酶学界一场彻底的革命”，究竟是什么驱动了环的形成“是目前基因组生物学领域最大的难题”。

基因成环

30多年前，遗传学家就知道基因组可以形成环，使调控因子接近它们所控制的基因，但并不清楚这些环是如何形成的。

多年来，一些研究者分别提出了环挤压理论的不同版本。第一个是美国希望之城贝克曼研究所遗传学者Arthur Riggs，在一篇被忽视的1990年论文中，他率先提出一个“DNA成卷”的想法。但人们普遍认为首先提出该概念的是Nasmyth。

按照Nasmyth的说法，2000年的某一天，他在意大利阿尔卑斯山区登山后产生了这个想法。那时，他和同事刚刚发现环状的黏连蛋白，这种蛋白复合体的主要作用是在细胞分裂时帮助分离染色体拷贝。在摆弄自己的登山工具时，Nasmyth突然意识到，染色体可能是主动穿过黏连蛋白或者相关的复杂凝缩蛋白的，就像绳子绕过登山扣一样。“这似乎解释了一切。”他说。

在一篇长达73页的综述中，Nasmyth用几个段落描述了这个想法。“根本没人注意到它。”他说。就连美国西北大学生物物理学家John Marko也没有对此提起注意——正是他在十多年后建立了与Nasmyth文字论证相补充的数学模型。

大约5年后，Mirny也加入了该行列。他希望能解释其长期合作者、麻省大学医学院生物学家Job Dekker编制的数据集。Dekker一直在利用Hi-C技术寻找染色体不同位置间的物理相互作用。

Dekker及合作者生成的Hi-C快照揭示出了明显呈不同区隔的环，其相互作用发生在20万～100万碱基长的离散DNA片段间。

这些“拓扑关联结构域”（TAD）就像一列拥挤的火车上的车厢。人们能在同一节车厢中走动，接触其他乘客，但只有穿过车厢尽头的门才能与相邻车厢的乘客互动。人类基因组长达30亿核苷酸，但大多数相互作用发生在局部TAD区域内。

其中，一个关键的线索是CTCF蛋白。人们已经知道，它在未凝集染色体的每个环的基部与黏连蛋白相互作用。Mirny的模型假设CTCF是黏连蛋白的一个终止标志。如果黏连蛋白只在正在形成的环的每一侧都遇到CTCF时才停止挤压DNA，蛋白就会自然结合在一起。

加州大学旧金山分校生物物理学家Geoff Fudenberg表示，提出黏连蛋白发挥了驱动作用是“一个巨大的跨越”。“没有人曾在活细胞中，甚至体外观察到过这些马达蛋白发挥这样的作用，但利用这一原理，数据所呈现出的所有不同特征都能得到统一。”他说。

多重发现

Lieberman Aiden提到，他在2015年3月的一个电话会议中首次产生了环挤压的想法。那时，他和前导师、博德研究所遗传学家Eric Lander已经发表了当时分辨率最高、最为详细的Hi-C人类基因组图谱。

在电话会议中，Lieberman Aiden试图解释数据中一个奇怪现象。几乎所有固定环的CTCF结合点都有相同的方向。他意识到，作为挤压的终止标志，CTCF具有固有的方向性。就像同司机不必理会交叉路口中与他们前进方向不同的停车标志，环挤压因子也会一直通过CTCF位点，除非终止标志朝向的是正确的方向。

Lieberman Aiden实验室通过系统敲除CTCF结合位点测试了这一模型，并重新绘制了Hi-C染色体图谱。得到的数据再一次与模型吻合。2015年7月，团队投出了他们的论文，并在三个月后发表。

实际上，Mirny于2015年8月在bioRxiv发布的文章用计算机模拟解释了CTCF的方向偏好。而这两种模型做出了同样的预测，这使得一些人猜测Lieberman Aiden的想法是不是来自Mirny的论文。但Lieberman Aiden坚称自己独立提出了他的模型。“我们在看到他们的手稿前就提交了文章，”他说。

不过，这两个模型间存在微小差别。Mirny用来描述他模型的漫画显示，挤压过程由一个黏连蛋白的环完成，而Lierberman Aiden的模型中有两个呈手铐状连接的环。

英国伦敦大学学院细胞生物学家Suzana Hadjur称，在确定黏连蛋白在挤压过程中扮演的角色时，这一机制上的细微差别“绝对是基础性的”。

此外，Lieberman Aiden和Mirny在黏连蛋白在环形成过程中的核心贡献上持有不同意见。Mirny坚持该蛋白是成环的驱动力，而Lieberman Aiden反对这种观点，他猜测是其他因子在驱动黏连蛋白移动。

细菌电池

可能最接近于证实黏连蛋白发挥着马达作用的实验结果发表于今年2月。哈佛大学医学院细菌细胞生物学家David Rudner和同事制作了枯草芽孢杆菌的延时Hi-C图谱。该图谱显示，细菌中与黏连蛋白和凝缩蛋白等效的蛋白复合体SMC沿着染色体压缩，并以每分钟超过5万DNA碱基的速度成环。这一速度与研究者所估计的Mirny模型在人类细胞中发挥作用所需的速度相当。

虽然，Rudner尚未证明SMC在这一过程中利用了能提供能量的三磷酸腺苷（ATP），但他表示自己已经很接近了；如果黏连蛋白在人类细胞中的工作方式与之不同的话，他会“大吃一惊”。

到目前为止，关于黏连蛋白究竟在细胞内做了什么（或者没做什么）的争论仍甚嚣尘上。许多研究者，包括加州大学伯克利分校细胞生物学家Doug Koshland，坚持认为需要对Mirny的看法保有合理的怀疑。“我担心环挤压模型已经被写进了教科书，尽管现在还不是时候。”他说。

此外，Mirny指出，尽管这似乎只是专家间的学术争论，但如果他的模型是正确的，也将会对人们的生活产生影响。例如，在癌症中，黏连蛋白常常发生突变，CTCF位点也会改变。人们也在一些人类发育障碍中发现了黏连蛋白缺陷。Mirny表示，如果环挤压过程是这些疾病背后的原因，或许更深入地理解马达蛋白将有助于解决这些问题。

但他的主要兴趣仍在基础问题上。他只想了解为什么DNA是以现在的方式装配的。与此同时，尽管他的模型对黏连蛋白做了大量假设，但“问题是除此之外，我并不知道任何能解释这些环的形成的其他方式。”Mirny说。（张章编译）