多年來，研究人員認為，新受精卵內的 DNA 最初是一個結構化的“白板”，它是一個鬆散、無序的束，只有當胚胎開始使用自己的基因時才會收到秩序。在傳統觀點中，基因組在很大程度上仍然是非結構化的，直到它「覺醒」並開始其遺傳編程。
新研究發表於 自然遺傳學 長期面臨的挑戰 Juan Ma Vaquerisas 教授及其同事報告說，基因組在這個最早階段就表現出了意想不到的組織水平。該團隊開發了一種名為 Pico-C 的新技術，使科學家能夠以驚人的細節檢查基因組的 3D 結構。透過這種方法，他們發現在基因組完全發揮功能之前，這是一個被稱為合子基因組活化的關鍵事件。 DNA 複雜的 3D 結構現已形成。
這些早期的折疊模式不僅僅是結構上的好奇心：DNA 在空間中的排列方式決定了哪些基因可以在發育過程中被活化。調節對於細胞的正常功能至關重要。並有助於預防發育障礙和疾病。
「我們曾經認為基因組甦醒之前的時期是一段混亂的時期，」該研究的主要作者努拉·馬齊亞克 (Noura Maziak) 解釋道。 “但是當比以往任何時候都放大得更近時，我們可以看到，這確實是一個具有嚴格紀律的建築工地。基因組結構是在‘開啟’開關完全翻轉之前使用精確的模組化方法生成的。”
Pico-C 技術繪製果蠅 DNA 摺疊圖
這項發現是利用果蠅（果蠅）得出的，果蠅是一種廣泛用於遺傳學研究的模式生物。在受孕後的最初幾個小時內，果蠅胚胎迅速分裂其細胞核。它可以在短時間內產生數千個細胞。這種快速發展使其成為研究基因組如何組織和控制的理想系統。
研究人員使用高度靈敏的 Pico-C 方法繪製了果蠅基因組的這些早期 3D 排列圖。他們發現 DNA 以模組化方式重複和折疊。使各種調節信號影響基因組的特定區域這種複雜的結構確保遺傳訊息被準備好並定位以在需要時激活。
除了提供 DNA 結構的詳細視圖之外，Pico-C 僅需要非常小的樣本量。這比標準技術的材料少約十倍。這種效率使得研究 DNA 摺疊如何造成基因調控成為可能。這種結構的破壞如何更精確地影響疾病？
當人類細胞中的基因組結構崩潰時
儘管這種結構「藍圖」首先是在果蠅中發現的，但它的相關性也延伸到了人類生物學。在發表於的一項聯合研究中 天然細胞生物學 該計畫由瑞士蘇黎世聯邦理工學院的 Ulrike Kutay 教授和合作者領導。研究人員在人體細胞上使用了相同的高解析度繪圖策略。
他們研究了當穩定基因組 3D 結構的分子「錨」被移除時會發生什麼。這個發現是驚人的。當這種結構崩潰時，人類細胞將裂解解釋為好像受到了病毒攻擊。這種誤解會引發細胞的先天免疫系統。這會導致誤報，從而導致發炎和疾病。
「這兩項研究講述了一個完整的故事，」胡安瑪說。 「第一部分向我們展示了基因組的 3D 結構是如何在生命早期階段精心創建的。第二部分向我們展示了對人類健康的災難性後果。如果允許該結構崩潰。”
這項研究由醫學研究委員會和醫學科學研究所 (AMS) 透過 AMS 教授獎資助。
