我們的染色體能斷裂并改組它們自己的片段不是什么新鮮事,，幾十年來科學家們已經(jīng)認識到這一點，尤其是在癌癥細胞中,。對染色體在哪里可能斷裂及斷裂片段如何集合在一起的規(guī)律只在現(xiàn)在才剛剛被了解,。波士頓兒童醫(yī)院和免疫疾病研究所（IDI）的研究人員已經(jīng)幫助將這些規(guī)律帶入更清晰的焦點中，通過發(fā)現(xiàn)細胞核內(nèi)位于染色體上基因組的成千上萬基因中每一個對斷裂染色體末端在哪里再結(jié)合有巨大影響,，尤其是基因組三維結(jié)構(gòu)組織,。這種知識可以揭示癌癥和正常細胞功能如免疫力有關(guān)的基本過程。
這項研究由波士頓兒童醫(yī)細胞與分子醫(yī)學計劃和馬薩諸塞大學醫(yī)學院系統(tǒng)生物學計劃的科學家共同主持開展,，研究結(jié)果發(fā)表在2月16日的期刊Cell上,。
在癌細胞中，染色體重組或易位過程被DNA直鏈生理斷裂與交叉所標記,，常導致新癌癥啟動融合基因的創(chuàng)造,。類似地，當天然B細胞開始首次產(chǎn)生抗體時,，它通過抗體多樣性的正在斷裂和重組基因建立它的靶向選擇,。然而，染色體斷裂與易位是許多癌癥的基礎,，歷史上沒有系統(tǒng)地研究它們?nèi)绾伪划a(chǎn)生的方法,。約5年前，開展此研究的研究團隊著手產(chǎn)生一種高通量方法來闡明這個癌癥生物學上的重要問題,。
為了達成這個目標,，Alt實驗室開發(fā)了高通量全基因組易位測序法（HTGTS，即繪制出基因組上更可能出現(xiàn)的染色體斷裂與易位的"熱區(qū)"）和一個以前認為不可能的分辨率水平,。在早期的HTGTS研究中,，他們發(fā)現(xiàn)斷裂染色體經(jīng)常自我重排，與橫過不同染色體的共享片段相反,。
為了更深入探討這些研究發(fā)現(xiàn),，他們將HTGTS與一種稱為Hi-C的方法結(jié)合。Hi-C方法由Job Dekker研究團隊開發(fā),，它測量所有基因組序列相對于另一個在三維空間上是怎樣被組織安排的,。
這種結(jié)合數(shù)據(jù)揭示了基因組組織如何支配染色體重排的幾個相關(guān)但不同的原理,。第一個是基于每一個細胞相對于它的鄰近細胞如何組織自己基因組的細微區(qū)別（指的是細胞基因組組織空間異質(zhì)性）。盡管基因組以一種絕大部分細胞所共有的模式被組織,，單個細胞則包含著小偏差,。這后一特點讓一小部分子細胞內(nèi)許多基因生理上接近彼此，即使在大部分細胞中它們也不接近彼此,。
第二個涉及近似性,。如果兩個斷裂染色體鏈在給定細胞核的三維空間內(nèi)存在緊密的近似性，它們更可能彼此連接,。這一發(fā)現(xiàn)對于涉及不經(jīng)常斷裂的DNA序列的易位特別重要,，象這樣的那些涉及易位的則發(fā)現(xiàn)于各種非淋巴腫瘤中。
第三個是應用前兩個到不經(jīng)常斷裂的DNA序列中（例如B細胞發(fā)育期間驅(qū)動抗體基因重排的那些）,。這樣的序列往往與相同搭檔序列一起改組,，其中搭檔序列是在那些生理上互相接近的子細胞中，即使是許多細胞內(nèi)搭檔序列不接近,。這能加速象許多淋巴腫瘤中觀察到的一樣的復發(fā)易位,。
總的來說，這些原理強調(diào)近似性,、基因組組織與斷裂頻率之間的關(guān)系,。兩個序列連接必須是斷裂的和生理近似的。如個2個序列在大部分細胞中是一起的并經(jīng)常斷裂,，它們在許多細胞中將易位,。如果它們常在一起但其中一個不斷裂，或者如果它們都斷裂但總是位于細胞核的相對側(cè),，它們易位的可能性非常低或者為零,。但是，如果2個序列經(jīng)常斷裂并在子細胞中很接近,，它們在那樣的子細胞中將經(jīng)常易位,，這有助于復發(fā)性易位。
斷裂染色體片段與相同染色體而不是其他染色體內(nèi)的其他片段連接的可能性更高,，其他染色體上生理學上更遠的片段可能與癌癥基因組有巨大關(guān)聯(lián)性,。例如，引起斷裂的癌癥治療可能更偏向于引起染色體間重排,。這也可能與"染色體亂序"（chromothripsis）有關(guān)，其中染色體亂序是一種最近揭示的現(xiàn)象,，即許多癌癥中一個染色體的序列變得雜亂,。
對染色體易位中生理空間近似性與總?cè)S基因組結(jié)構(gòu)作用的新了解為解碼細胞核以怎樣方式被組織影響基因組混亂開辟了新道路，其中基因組混亂發(fā)現(xiàn)于癌癥和以染色體重組為特點的其他疾病中,。這項研究也指出了為研究細胞核內(nèi)組織性設計如何影響基本生物學過程而聯(lián)合2種高通量基因組測定法Hi-C和HGTGS的威力,。這種方法的應用將提供觀察許多不同類型癌癥基因組的一個新透鏡,。
這項研究由如下機構(gòu)支持：美國國家癌癥研究所、美國國家人類基因組研究所,、霍華德休斯醫(yī)學研究所,、白血病和淋巴瘤協(xié)會、W.M. Keck基金會,、癌癥研究所與德國國家卓越基金會,。（生物谷bioon.com）
doi:10.1016/j.cell.2012.02.002
PMC:
PMID:
Spatial Organization of the Mouse Genome and Its Role in Recurrent Chromosomal Translocations
Yu Zhang, Rachel Patton McCord, Yu-Jui Ho, Bryan R. Lajoie, Dominic G. Hildebrand, Aline C. Simon, Michael S. Becker, Frederick W. Alt, Job Dekker
Summary The extent to which the three-dimensional organization of the genome contributes to chromosomal translocations is an important question in cancer genomics. We generated a high-resolution Hi-C spatial organization map of the G1-arrested mouse pro-B cell genome and used high-throughput genome-wide translocation sequencing to map translocations from target DNA double-strand breaks (DSBs) within it. RAG endonuclease-cleaved antigen-receptor loci are dominant translocation partners for target DSBs regardless of genomic position, reflecting high-frequency DSBs at these loci and their colocalization in a fraction of cells. To directly assess spatial proximity contributions, we normalized genomic DSBs via ionizing radiation. Under these conditions, translocations were highly enriched in cis along single chromosomes containing target DSBs and within other chromosomes and subchromosomal domains in a manner directly related to pre-existing spatial proximity. By combining two high-throughput genomic methods in a genetically tractable system, we provide a new lens for viewing cancer genomes.
