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基因组的三维空间结构和功能的研究

发布时间:2017-08-05 20:33:40

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?基因组的三维空间结构和功能的研究

内蒙古医科大学附属医院? 陈秀娟

人类基因组测序完成,但是基因组信息如何指导基因在特定空间和时间表达的机理仍有待阐明。最近研究表明基因组的三维空间结构对基因组的表达、调控等功能有显着影响,故对基因组的三维空间结构和功能的研究已成为一个新趋势。“结构决定功能”不仅适用于蛋白质、RNA等小分子,也适用于DNA序列;基因的转录,复制,修复和调控等生物过程广泛涉及三维基因组学。对细胞核中不同结构的研究手段有广泛动物群体细胞Hi-C

Hi-C技术源于染色体构象捕获(Chromosome Conformation Capture, 3C)技术,以整个细胞核为研究对象,利用高通量测序技术,结合生物信息学方法,研究全基因组范围内整个染色质DNA在空间位置上的关系;通过对染色质内全部DNA相互作用模式进行捕获,获得高分辨率的染色质三维结构信息,并与ChIP-Seq、转录组数据联合分析,从基因调控网络和表观遗传网络来阐述生物体性状形成的相关机制。

应用这些技术可以测定不同的调控元件和它们的目标基因之间的相互作用,从而解释相关的生物学问题。

一、精子与卵子识别的结构基础

文献来源:Isha Raj,Hamed Sadat AI Hosseien,Elisa Dioguardi,et al.Structural Basis of Egg Coat-Sperm Recognition at Fertilization.j cell.2017.05.033

这篇文章在受精过程中具体的特异性结合方式获得突破。在无脊椎动物卵子表面蛋白VERL亚基受体上的重复序列与蛋白溶素的作用,并获得了精卵表面结合时的蛋白结构。其中有一条重复序列能选择性的识别相同物种。结合后的VERL/溶素复合体暴露在高度带正电荷的卵子表面下,破坏蛋白表面纤维的组织性并引发他们之间的静电斥力,从而打开精子渗透和融合的通道。其中的VERL可能与脊椎动物的ZP2有着相同的功能。这项工作首次从原子层面揭示了精子如何与卵子进行识别并绘制出了结合后复合物的三维立体蛋白质结构,发现序列差异很大的ZP2VERL有着类似的三维晶体结构。这项发现在无脊椎动物和脊椎动物受精过程的研究构建了桥梁,对受精过程的研究有着重大启发。

二、着床前胚胎染色体三维结构

??? 文献来源:Zhenhai Du,Hui Zheng,Bo Huang,et al.Allelic reprogramming of 3D chromatin architecture during early mammalian development.cell,2017.06.029.

???? 这篇文章在哺乳动物受精前后染色体三维结构的亲本特异重编过程做了研究。发现精子保留了经典的染色体高级结构,而卵子染色体却呈现出一种均一性的结构,并且缺乏拓扑结构域(TADs)和区室结构。在受精后,染色体的三维结构呈现一种极其松散的状态。在胚胎发育早期,尽管原核已经融合,亲本基因组仍然保持空间部分分离状态,二者的染色体区室结构显着不同,并且差异直到8细胞阶段仍然存在。同时在抑制合子基因组激活状态下,染色体三维结构仍能部分建立,表明这个时期的基因组转录对建立三维结构不是绝对必要的。这项研究增进了对早期胚胎中真实的立体基因组结构的认识,证实了染色质三维结构在2细胞期开始逐渐建立,但基因转录对该结构不是绝对必要的。为我们展现了早期胚胎发育中的立体基因组结构对发育基因表达调控的影响,以及与DNA复制的相关性。至于染色质三维结构在细胞分裂后维持仍是研究遗传规律的一项基础问题。

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