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哺乳動物基因組DNA全長近2 m，經(jīng)過多層有序組織與折疊后分布于直徑5-10 μm的細胞核中【1】。染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)對基因表達，細胞分化和胚胎發(fā)育起著至關(guān)重要的作用【2,3】。其中，基因組A/B區(qū)隔化（A/B compartments）組織形式從纖毛蟲（ciliates）到人具有保守性，表明基因組內(nèi)存在物種間高度保守的驅(qū)動力【4】。

回歸基因組構(gòu)成的本質(zhì)，蛋白編碼區(qū)域只有不到2%，重復(fù)序列卻構(gòu)成了人（Homo sapiens）和小鼠（Mus musculus）超過一半的基因組【5,6】，預(yù)示著基因組重復(fù)序列很有可能對染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)具有重要意義。LINE是人和小鼠基因組中豐度較高的一類逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座原件，分別占據(jù)人和小鼠基因組的17%和19%【7】，主要包含了L1（又稱LINE1，LINE-1），L2和L3等類別，基因組中有超過500,000個L1的拷貝【8】。

2020年初，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院的沈曉驊教授團隊對L1、B1/Alu等重復(fù)序列的功能做了前期探究【9,10】。對人和小鼠基因組中重復(fù)序列在的分布、對基因的表達調(diào)控以及對染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的影響等方面積累了一些實驗成果（詳見BioArt報道：Cell Reports | 沈曉驊團隊揭示重復(fù)序列對宿主基因組結(jié)構(gòu)和功能的調(diào)控作用）。

但是，重復(fù)序列如何在調(diào)節(jié)染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮作用？重復(fù)序列是在哪個層面上影響染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的？其中具體的分子機制還不明確。

近日，來自清華大學(xué)的沈曉驊教授與北京大學(xué)的孫育杰教授團隊合作在Cell Research 雜志發(fā)表一篇題為 Homotypic clustering of L1 and B1/Alu repeats compartmentalizes the 3D genome 的文章，對基因組重復(fù)序列如何影響細胞核區(qū)隔化提供了進一步分子依據(jù)。

在這項研究中，研究人員首先通過系統(tǒng)的生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，B1/Alu和L1重復(fù)序列在細胞核中傾向于與同類別DNA序列聚集分布，這種聚集特性與Hi-C推測的A/B compartments高度吻合。進一步的DNA FISH結(jié)果表明，L1聚集分布在核膜與核仁周圍的異染色質(zhì)區(qū)域，B1/Alu重復(fù)序列聚集分布于常染色質(zhì)所在的細胞核質(zhì)區(qū)域。這種差異性分布模式在mESC，NSC，NIH3T3，C2C12和HeLa細胞中高度保守，并在小鼠早期胚胎發(fā)育過程中逐漸建立，在細胞周期進程中也存在動態(tài)變化過程。

接著，研究人員利用反義核苷酸技術(shù)AMO（antisense morpholino）對mESC中L1轉(zhuǎn)錄本進行抑制，DNA FISH結(jié)果發(fā)現(xiàn)L1-rich和B1-rich的基因組區(qū)域在細胞核中的定位以及相互分離程度均受到嚴(yán)重影響。Hi-C數(shù)據(jù)表明AMO抑制L1 RNA會導(dǎo)致compartment A-A、B-B互作減弱，A-B互作增加即compartment strength [(AA+BB)/AB]降低，最終并導(dǎo)致染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的改變。

最后，研究人員利用生物化學(xué)手段發(fā)現(xiàn)L1 DNA和RNA均能與異染色質(zhì)相關(guān)蛋白HP1α發(fā)生直接相互作用，并促進HP1α蛋白在體外發(fā)生液液相分離，為理解L1如何參與調(diào)控異染色質(zhì)的建立提供了可能分子依據(jù)。值得注意的是，L1與HP1α的相互作用和相分離現(xiàn)象并不具有序列特異性，研究人員推測兩者共同的異染色質(zhì)區(qū)域定位可能發(fā)揮著重要作用。

總的來說，這項研究綜合利用生物信息分析、熒光標(biāo)記顯微成像、體外相分離體系重構(gòu)等方法揭示了基因組重復(fù)序列L1和B1/Alu在compartments層面上組織染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)形成的分子機制，為深入理解小鼠和人之間高度保守的染色質(zhì)區(qū)隔化結(jié)構(gòu)提供了重要依據(jù)。該研究還提出了一個染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的遺傳編碼機制：相同類型的重復(fù)序列相互聚集（Homotypic clustering），不同類型的重復(fù)序列相互排斥（Heterotypic segregation），這種基因組重復(fù)序列的作用模式作為先決條件奠定了染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)形成的基礎(chǔ)；其次，重復(fù)序列以及其轉(zhuǎn)錄本的結(jié)合蛋白進一步調(diào)控了染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的建立；與此同時，細胞核內(nèi)無膜包被的液液相分離小體為染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的建立提供了另外一個層面的相互作用平臺。
 

據(jù)悉，清華大學(xué)沈曉驊教授與北京大學(xué)孫育杰教授為本文的共同通訊作者，清華大學(xué)盧金龍博士、北京大學(xué)常蕾博士、清華大學(xué)李同博士為本文的共同第一作者。清華大學(xué)尹亞飛博士（現(xiàn)為浙江大學(xué)獨立PI）、韓雪博士和博士生王婷、戰(zhàn)戈、張珂、陶宜冰等對本文做出了重要貢獻。同時，該研究還得到了清華大學(xué)李丕龍、頡偉、那潔課題組、中科院生物物理研究所朱冰課題組和多倫多大學(xué)Miguel Ramalho-Santos課題組的大力支持。

孫育杰教授實驗室的主要方向是開創(chuàng)、發(fā)展和應(yīng)用單分子技術(shù)，包括超高分辨率單分子熒光成像技術(shù)、單分子操作及力學(xué)測量技術(shù)，以在單分子水平上研究亞細胞動態(tài)過程、精細結(jié)構(gòu)與功能（Protein & Cell | 孫育杰/李程合作揭示核纖層蛋白對人源細胞中染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)及染色質(zhì)運動狀態(tài)的調(diào)控）。

沈曉驊教授實驗室主要以多能干細胞為模型，探索非編碼基因組調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因表達的新機制。包括從系統(tǒng)和分子水平上研究非編碼RNA、基因組重復(fù)序列和RNA結(jié)合蛋白，影響轉(zhuǎn)錄和染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的新模式；從獨特的視角來揭示干細胞多能性和細胞命運決定的普適性規(guī)律。