斯科尔科沃科技学院 信用:Pixabay/CC0公共域 来自斯科尔泰克的研究人员和他们的同事优化了数据分析，这是一种研究果蝇单细胞中脱氧核糖核酸三维结构的常用方法
这种新的方法使科学家们能够更有信心地窥视单个细胞，以研究脱氧核糖核酸在那里的独特包装方式，并更接近于理解这一关键过程的潜在机制
这篇论文发表在《自然通讯》杂志上
一条大约两米长的脱氧核糖核酸链之所以能嵌入人类细胞的微小细胞核，是因为染色质——一种由脱氧核糖核酸和蛋白质组成的复合体——将它包装成紧凑但非常复杂的结构
为了研究脱氧核糖核酸的包装方式，世界各地的研究人员开发了所谓的染色体构象捕获(3C)技术，其中最有效的被称为高-碳
高通量测序基本上是通过高通量测序将所有相互作用的脱氧核糖核酸链片段分类
然而，问题就出在这里:为了工作，Hi-C需要数十微克的DNA，这意味着数百万个细胞，每个细胞都有其独特的染色质空间组织，必须被平均化才能获得一个快照，这个快照将不可避免地忽略单细胞中DNA包装的一些特性
就像“普通人”并不真的存在一样，传统的人机对话无法告诉你在同一细胞中究竟发生了多少次互动
此外，这种快照很难用于解释导致染色质三维结构的物理过程
“我们在平均接触图中看到了某些结构，例如所谓的拓扑关联域，但我们不知道它们是平均化的产物还是真的存在于单个细胞中
此外，我们知道，就基因表达而言，即使是一个组织中的细胞也可能存在很大的差异——因此，一个自然的问题是，这种差异是否也存在于结构层面，”生物医学研究副总裁兼这篇新论文的合著者米哈伊尔·盖尔范德说
为了克服这一障碍，使高-碳过程更适合单细胞，来自几个研究所的研究人员提出了一种叫做单细胞高-碳的技术
由盖尔范德和生命科学斯科勒特中心的助理教授叶卡捷琳娜·赫拉米娃领导的斯科勒特小组接受了一项挑战，即优化单细胞高密度脂蛋白胆固醇的数据处理并揭示果蝇细胞的基本特性
他们的同事来自基因生物学研究所和莫斯科国立罗蒙诺索夫大学，与来自法俄跨学科科学中心的研究人员合作
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庞斯列优化了snHi-C程序，使其适用于果蝇细胞实验
为了让这项技术发挥作用，研究小组必须从相同的高-碳步骤开始，化学“冷冻”染色质，战略性地切割DNA并重新组装，以便空间上靠近的片段最终缝合在一起
但是，他们没有大量使用这些脱氧核糖核酸，而是用phi29噬菌体的聚合酶从每个孔中的单个细胞中扩增出极少量的脱氧核糖核酸
这种phi29聚合酶被广泛用于DNA扩增方法，部分原因是它能够从最小的模板中产生大量的DNA，并且比其他常用的聚合酶产生的错误少得多
然而，事实证明，这种方便的脱氧核糖核酸聚合酶虽然不太容易出错，但仍然可以在脱氧核糖核酸分子之间随机“跳跃”，产生人工“链接”，这是高性能计算机算法无法从真实的相互作用中区分出来的
因此，研究人员必须想出一个真实性测试，从相互作用的碎片的真实痕迹中剔除随机跳跃
他们将他们的新技术应用于果蝇细胞，试图找出染色质折叠的基本方式是否在生物体中是相同的
早期在哺乳动物细胞中的研究表明，在高-碳分析的平均接触图中，存在一氧化氮合酶，但在单个细胞中没有
然而，在果蝇中，单细胞数据显示每个特定的细胞中都有TADs
需要更多的研究来阐明形成这些稳定结构域的生物学机制，但是研究人员为这些TADs建议了两种类型的模型
一个暗示果蝇染色质以一种特殊的方式“粘着”，不同的区域有不同的亲和力形成接触
另一种机制，即所谓的环挤压机制，假设大的蛋白质复合物在链上形成环，将遥远的区域拉近，形成更大规模的结构
“也许，要问的最有趣的问题之一是，不同物种的活生物体之间的染色质折叠规则是否相似
果蝇的单个细胞具有单细胞高-碳，我们注意到这种昆虫的基因组折叠成结构域，类似于在哺乳动物单细胞中观察到的结构域
然而，这些结构比哺乳动物的有序得多
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斯科特的学生和该论文的第一批合著者之一指出
“我们将继续研究染色质结构，并深入研究环和TAD形成的机制
在这个领域有许多未回答的问题
我们已经知道这些机制可能在一些生物之间有所不同，但是染色质折叠进化的全貌是什么？如果我们想在足够大的范围内理解它，我们需要通过解析怪异生物的染色质结构来弥合研究良好的生物之间的差距
要做到这一点，我们已经在研究海绵、酵母和阿米巴原虫，”叶卡捷琳娜·克拉姆耶娃说
她补充说，该团队还对染色质组织的变化如何与疾病、有机体发育和衰老相关联感兴趣
“假设染色质结构与基因表达紧密相关，回答这些问题可能会解开人类发展、衰老和疾病的调控先决条件，”Khrameeva指出
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