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单个细胞的逆向工程3-D染色体模型

基因组分析可以提供有关基因及其在DNA链上的位置的信息,但是这种分析几乎没有揭示它们在染色体中相对彼此的空间位置-高度复杂的三维结构保存了遗传信息。

染色体在显微镜图像中类似于模糊的“ X”,并且可以携带数千个基因。它们是在DNA围绕蛋白质(称为组蛋白)缠绕时形成的,蛋白质被进一步折叠成称为染色质的复合物,从而构成单个染色体。

知道哪些基因位于染色质内空间邻近很重要,因为彼此靠近的基因通常会协同工作。

现在,伊利诺伊州芝加哥大学的研究人员报告了一种计算技术,该技术使用热图数据对高度详细的染色体模型进行反向工程。通过这项工作,研究人员发现了染色质折叠在基因之间沿DNA链彼此高度远离的基因之间形成的紧密空间关系的新信息。

他们的发现发表在《自然通讯》杂志上。

“染色质的折叠将彼此远离的基因紧密地联系在一起。如果我们知道某些基因组由于这种折叠而成为空间邻居,那么这告诉我们,它们最有可能共同推动基因的发展。免疫力,甚至是更基本的过程,例如发育或细胞分化,” UIC Richard和Loan Hill生物工程学教授,本文的通讯作者梁洁说。“这对于更好地理解这些过程或开发新的预防或治疗癌症及其他疾病的疗法非常重要。”

Liang和他的同事们开发了一种使用来自Hi-C的信息对单个染色体的复杂结构进行逆向工程的方法。Hi-C根据反映出哪些基因在空间上最可能彼此接近的概率生成热图。这些热图可以提供有关染色体如何组织的大概三维信息,但是由于它们基于来自多个细胞的遗传物质,因此这些热图表示基因之间接近的平均可能性,而不是确切的位置。

Liang和他的同事研究了果蝇胚胎细胞的染色体的Hi-C热图,该细胞只有八个染色体。他们将这些热图与新的先进计算方法结合使用,生成了单个细胞染色体的极其详细的三维图。

梁说:“我们首次能够产生能够准确代表染色体内遗传空间关系的单细胞模型。” “有了这些模型,我们就可以发现丰富的生物学模式,并回答有关染色体发生的三维结构变化的基本生物学问题,这些染色体会导致干细胞发育成不同的组织,以及这些过程中的功能异常如何导致癌症等疾病。”

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