以最详细的分辨率 导出基因组DNA三维结构的技术
以最详细的分辨率
导出基因组DNA三维结构的技术
明确基因组DNA三维结构的技术开发基于新一代基因组测序仪和超级计算机的分析
谷口雄一京都大学艾森斯(高等研究院物质——细胞综合系统据点)教授(兼理化学研究所研究小组组长)、大野雅惠特定讲师(兼理化学研究所客座研究员)、安藤格士理化学研究所研究员(现东京理科大学讲师)、 由David G Priest理化学研究所海外特别研究员(现澳大利亚墨尔本大学研究员)等组成的研究小组公开了由核小体水平决定细胞内基因组DNA三维结构的技术的详细实验手册。核酸酶是由编码细胞内各种基因的基因组DNA，每160~200个碱基对缠绕在一种叫做组蛋白的蛋白质上形成的基因组DNA结构单位。 以前的研究认为，无论基因领域如何，核小体都是规则排列的，但2019年该研究小组发现，每个基因领域的核小体序列结构不同。 发生和分化等时进行的各种基因的表达的结构进行控制，作为了解各种生命过程发生起源的重要基础技术，该集团的实验技术在世界范围内备受瞩目。本协议的公布，有望为生命科学家分析多种基因表达现象的机制，医学研究者追踪各种疾病发生的原因等，对处理分子水平上的生命现象的广泛研究的高度化做出贡献。该成果于2021年5月28日刊登在了国际学术杂志《Nature Protocols》的在线版上。
1. 背景
我们的身体通过从细胞中的基因组中，根据情况表达适当的基因来发挥作用。 人类的话，基因组由30亿碱基对的DNA组成，表达约30，000种基因。 基因组每160~200个碱基对，在被称为组蛋白的蛋白质上缠绕约一周半，形成被称为“核小体”的结构，它们以链状连成串的状态被收纳在被称为细胞核的器官中。 基因的表达是由该结构体与各种蛋白质结合而发生的，但如何根据实际情况适当表达尚不清楚，被认为是现代生命科学最大的谜团之一。为了挑战这个谜题，研究小组最近开发了一种叫做Hi-CO法的技术。 通过使用Hi-CO法，可以通过实验导出构成基因组的各个核小体的三维位置和方向。 因为知道各个基因是从什么样的物理结构中产生的，所以可以直接逼近基因表达的发生原理。研究小组于2019年在生命科学顶级杂志《塞尔》上发表了本技术，在世界范围内引起了巨大的反响。 根据使用该技术解析出芽酵母基因组DNA的结果，以前被认为以之字形等形式采取一定规则配置的核酸酶链的结构，实际上是不规则的，每个基因采取了不同的配置。 这个结果暗示了在思考基因表达的原理上，其结构发挥着本质的作用，今后，通过分析各种分化状态和疾病状态的生物活体样品，有望大大接近基因对生命控制的本质结构的解释。但是，2019年的论文只显示了实验法的概要，为了让各种研究者能够简便地使用Hi-CO法，需要以包括详细的注意事项和分析程序等在内的形式，公开包含大量原始部分的实验过程的详细内容。 因此，这次以论文的形式公开了详细记述各实验过程步骤的实验手册。2 .研究内容和成果
Hi-CO法通过结合使用新一代基因组测序仪※1进行大规模DNA序列信息的实验获取和使用超级计算机※2进行物理计算进行分析(图1 )。在前一个过程中，首先在作为分析对象的细胞中，分别进行空间上接近位置的核酸酶上的DNA之间的连接，然后利用新一代基因组测序仪全面解读发生连接的DNA区域的序列(图1左)。 根据得到的数据，通过分析基因组的各核小体之间发生了多少频率的连接，可以导出各核小体之间的距离关系。然后在后者的过程中，在计算机内构建核小体链的模型，在考虑物理性质的同时应用在前者的过程中导出的距离关系，从而决定各核小体的三维配置。 由于这个决定需要大量的计算，所以使用了超级计算机，最初虚拟地提高温度，使核酸酶随机分散，然后逐渐降低温度，从而导出了最合理的结构(图1右)。在这次的论文中，不仅讨论了2019年论文中报告的出芽酵母，还讨论了应用于人类等其他生物种类时的要点和实验计算法的修改点等，还公开了进行物理计算的程序和测试数据。
图1 .利用1. Hi-CO法确定构成基因组的各核酸酶的三维构型结构
3 .今后的展开很多生命的作用和功能，如从受精卵发生、诱导iPS细胞分化、对病毒的免疫应答等，都是通过基因组中适当的基因表达进行的。 通过本技术明确基因表达来源的结构基础，不仅可以明确生命进行各种功能表达的本质结构，还可以期待开发出逻辑控制生命作用的方法论。4 .用语解说
※1新一代基因组测序仪:一举进行数百万至数亿个、数百碱基对水平长度的DNA片段序列解读的技术。 现在各种生物种类的基因组的决定是通过将使用该技术解读的DNA序列连接起来进行的。※2超级计算机:大规模、具有高度计算能力的计算机。 一般来说，通过在数量庞大的节点(将CPU和存储器组合而成)上并行进行计算，可以进行大规模且高速的计算。
5 .关于研究项目日本学术振兴会( JSPS ) :基础研究a (基因组高次分子结构的生物物理学( 20H00460 ) )，挑战性开拓( 1分子尺度荧光分析化学的创造)、学术变革领域研究a (核小体动态的模态( 20H05936 ) )科学技术振兴机构( JST ) :先驱( 1细胞内多层次混合动态的关联性( JPMJPR15F7 ) )理化学研究所:理研基因组操作项目、理研BDR结构细胞生物学项目、奖励研究特斯拉基金会:研究资助金武田科学振兴基金会:生命科学研究资助持田纪念医药学振兴基金会:研究资助金三得利生命科学基金会: SunRiSE计划6 .论文标题作者
hi-co :使用三维通用结构分析的数字解决方案(参考译文: Hi-CO法:具有核酸酶分辨率的三维基因组结构解析法)作者: Masae Ohno，Tadashi Ando，David G Priest and Yuichi Taniguchi自然协议| doi:10.1038/s 41596-021-00543-z