我學者觀測到人類基因組DNA上的“年輪”

　　1月31日，中科院生物物理研究所劉光慧課題組和徐濤課題組，以及中科院動物研究所曲靜課題組合作，研究發現了一種新型三維基因組活細胞成像工具，利用此工具實現了對衰老伴隨的端粒縮短和著絲粒異染色質改變的精準成像。更為有趣的是，該研究發現了核仁區核糖體DNA拷貝數的減少可以作為人類衰老的新型標志物,人類基因組DNA上的“年輪”被發現，這些成果為認識人類衰老的本質奠定了重要基礎。日前，該研究已在線發表于Nature旗下Cell Research雜志上。

　　近年來，CRISPR/Cas9和TALE等新型核酸結合蛋白的發現和應用，基因組特定序列的精準成像成為可能。然而，目前基于CRISPR/Cas9和TALE的成像系統尚存在一定的不足。CRISPR/Cas9系統的主要問題是由于其涉及多種蛋白和RNA元件，且Cas9蛋白分子量較大，因而該系統在哺乳動物細胞中瞬時表達存在難度，同時利用該系統成像時細胞核背景噪音也較高。TALE系統雖然理論上蛋白分子量小，并且可以直接結合DNA，但就目前發表的論文而言，尤其是利用人類細胞進行的基因組成像研究中，很少使用三維熒光原位雜交（3D-FISH）這一“金標準”實驗對TALE的成像的精確度進行嚴格確證。

　　在該項研究中，研究人員通過對傳統TALE介導的端粒、著絲粒和核仁區核糖體DNA等基因組重復序列的成像結果進行細致分析，發現利用傳統的TALE標記基因組重復序列時會在細胞內產生異常的聚集斑塊，且這些聚集斑塊多數情況下脫離了基因組上的DNA靶序列，因而極大地限制了TALE在染色質三維成像中的應用。

　　研究團隊通過篩選一系列可提高細胞內蛋白溶解性的“助溶解多肽”，發現硫氧還蛋白與TALE的融合表達（該融合蛋白稱為TTALE）能夠特異地清除TALE成像時伴生的聚集斑塊，從而最大程度地釋放TALE在染色質三維成像方面的效能。

　　實驗結果表明，同Cas9相比，TTALE具有成像信噪比高、易于操作等優點，可廣泛應用于胚胎干細胞、誘導性多能干細胞、成體干細胞、終末分化細胞、腫瘤細胞以及卵細胞等多種人類細胞類型。

　　此外，利用該工具，研究者們首次實現了對28S核糖體DNA的活細胞標記，并揭示28S核糖體DNA主要分布于核仁區的外周，這將為理解核糖體DNA和核仁在多種生命過程中的功能提供重要的線索和研究工具。

　　利用TTALE成像系統，研究團隊還發現核仁區核糖體DNA拷貝數的減少可能是人類衰老的生物鐘之一。人類衰老所伴隨的核仁區核糖體DNA拷貝數的減少同端粒的縮短同樣顯著，并且可以方便地在老年人的外周血中檢測到，因此可以用作評價人類衰老進程的新型分子標志物。

　　研究人員還利用TTALE系統在培養皿中觀測到了細胞衰老伴隨的端粒縮短和著絲粒異染色質失序等基因組結構的變化，并且首次在體內單細胞水平觀察到了端粒酶缺失小鼠的端粒加速縮短現象。

　　這些發現為揭示人類染色質三維結構及其動態變化在衰老和疾病中的作用提供了強有力的研究工具。此外，全新人類衰老分子標志物的確立也將為衰老的基礎和轉化研究提供助力。

　　（原載于《中國科學報》 (2017-02-09 第6版 前沿)