研究人员拍摄了一段视频，展示了一度被认为无用的DNA片段如何作为基因的开关。
这些DNA片段是超过90%的非基因遗传物质的一部分。研究人员现在知道，这种“垃圾DNA”包含了能够开启或关闭基因的大部分信息。但是，这些被称为增强子的DNA片段是如何在细胞核拥挤的环境中找到并激活目标基因的，目前还不清楚。
现在，由普林斯顿大学的研究人员领导的一个小组已经捕捉到了这种情况在活细胞中是如何发生的。这段视频让研究人员可以看到增强子，因为他们发现并连接到一个基因，以启动它的活动。这项研究发表在《自然遗传学》杂志上。
一系列时间序列的图像揭示了一个被称为增强子的DNA片段如何打开或激活其目标基因。这张图片显示了来自一个活苍蝇胚胎的两个细胞。增强子(蓝色)必须靠近基因(绿色)才能激活基因活性(粉色)。
增强子如何激活基因的分析有助于理解正常发育，即使是很小的基因失误也可能导致出生缺陷。基因激活的时机对包括癌症在内的许多疾病的发展也很重要。
“治愈这种疾病的关键是我们有能力阐明潜在的机制，”物理学副教授、刘易斯-西格勒综合基因组学研究所(Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics)的托马斯·格雷戈(Thomas Gregor)说。“我们的目标是利用这些规则来规范和重新设计潜在发展和疾病过程的项目。”
正如它们的名字所暗示的，增强子会开启其他基因的表达。在哺乳动物基因组中，估计有20万到100万个增强子，其中许多位于离它们调控的基因很远的DNA链上，这就提出了调控片段如何定位和连接它们的目标基因的问题。
由于难以对活体细胞的遗传活性进行成像，以往对增强子的研究多在非活体细胞上进行。这样的研究只提供了时间的快照，可能会遗漏重要的细节。
在这项新研究中，研究人员使用普林斯顿大学开发的成像技术，追踪增强剂及其靶基因的位置，同时监测该基因在活苍蝇胚胎中的活动。
“这项研究为实时观察两个DNA区域如何相互作用提供了独特的机会，”刘易斯-西格勒研究所(Lewis-Sigler Institute)的博士后研究员迈克尔·莱沃(Michal Levo)说。“我们可以实时监测增强子和基因的物理位置，同时测量基因的活动，试图将这些过程联系起来。”
How “junk” DNA turns on gene
利用普林斯顿大学开发的一项成像技术，研究人员捕捉到了DNA片段(来自一度被认为是无用垃圾的遗传物质)打开目标基因的瞬间。视频显示了DNA片段，称为增强子(蓝色)，当它接近基因(绿色)并激活它(红色)。研究表明，增强子和基因之间的紧密联系是启动基因活性的必要条件。
视频显示，增强子和基因之间的物理接触是激活转录的必要条件，这是阅读遗传指令的第一步。增强子在基因活跃的整个过程中都与基因保持联系。当增强子断开时，基因活动停止。
研究人员还发现，在转录过程中，增强子和基因形成的结构变得更加紧密，这表明该区域的DNA发生了变化。
研究人员说，考虑到增强子和它的目标之间可能有许多基因，增强子能够在正确的时间到达确切的目标，使该基因变得活跃，这是非常值得注意的。
研究小组认为，解决方案可能会在我们细胞内的DNA独特的包裹层中找到。当DNA被拉伸成一条直线时，增强子和基因之间可能只有半英寸的距离，但当它们被压缩到细胞中，带有促进物理相互作用的特定蛋白质时，它们之间的距离可能会非常近。
“通过这项研究，我们可以看到DNA的结构配置和基因激活之间的关系，”刘易斯-西格勒研究所博士后研究员、该研究的主要作者陈洪涛说。
这段视频提供了证据，证明了一种被称为“肇事逃逸模型”的模型是错误的。在这种模型中，增强子在转录过程中不需要依附于基因。
研究小组还发现，有时增强子和基因相遇并相互连接，但基因激活并没有发生，他们计划进一步探索这一发现。
为了捕捉增强子与基因接触的视频，陈将荧光标记附在增强子及其靶基因上。被检测的增强子是一种叫做eve的基因，它们会在发育的胚胎表面形成7条条纹的图案，形成时间大约为3小时。
此外，陈还在目标基因上附加了一个单独的荧光标记系统，当基因被激活并经过转录时，这个荧光标记系统就会亮起来，从而产生一种基因编码的中间读出物，这是一种叫做RNA的分子。格里格尔在普林斯顿大学的团队之前开发了一种向RNA中添加荧光标记的方法，这种方法可以实时读取果蝇胚胎中的基因表达。
这项研究包括普林斯顿大学分子生物学研究生列夫·巴利诺夫(Lev Barinov)、托马斯·杰斐逊大学(Thomas Jefferson University)的藤冈美树(Miki Fujioka)和詹尼斯(James Jaynes)的研究。格里高尔同时隶属于普林斯顿大学和巴黎巴斯德研究所。
本研究由美国国立卫生研究院(grant U01 EB021239, R01 GM097275, R01 GM117458)和美国国家科学基金会(grant py -1734030)资助。
7月23日，陈洪涛、米哈尔·莱沃、列夫·巴利诺夫、藤冈美树、詹姆斯·b·杰恩斯和托马斯·格雷戈在《自然遗传学》网站上发表了这项名为“增强子-启动子拓扑结构与基因活性之间的动态相互作用”的研究。