科學家繪制出最清晰立體人類基因組結構圖

美國科學家通過將人類基因組分成數百萬個片段并重新排列組合，成功描繪出清晰度和分辨率最高的基因組三維圖像。    據美國媒體報道，近日，美國科學家通過將人類基因組分成數百萬個片段并重新排列組合，成功描繪出清晰度和分辨率最高的基因組三維圖像。該圖是引人入勝的分形體圖像，這種技術能幫助科學家探索基因組的形狀而不僅僅是其DNA含量對人類進化和疾病的影響。
    多年以來，中、美、日、德、法、英等國科學家始終致力于人類基因組圖譜的研究。能夠更加清晰準確地描繪人類基因組構造，說明生命科學已經發展到了更深的階段，將推動基因組測序工作、功能基因的研究和基因技術的應用，從而推動整個生物技術的發展，也將對科技發展、經濟發展以及整個社會產生深遠影響。
    “很明顯染色體的三維結構是調控基因組的關鍵因素，”馬薩諸塞大學醫學院分子生物學家約伯-戴克說：“清晰的三維圖像將有助于了解基因調節方面的更多信息，而且肯定會帶來一系列新的疑問。”
    根據經典生物學教科書的描述以及人們的共識，人類基因組就像23對染色體捆綁在一起的很多DNA和蛋白質，每一個細胞核內部都按照X形狀緊密排列。但只有細胞將要分裂的時候才是這樣，而其他時間，染色體排列更加緊密，并不斷移動。當然它們的DNA鏈也是聚集在一起的，假如基因組從頭到尾拉長的話，其長度可達6英尺。
    數十年來，許多細胞生物學家認為人類基因組的緊密結構并不僅僅是一種有效的儲存構造，而且與其基因功能和相互作用息息相關。然而這很難去驗證：一旦基因組形狀遭到破壞，電子顯微鏡將無法觀測到它活躍的表面。盡管已經了解人類基因組的組成部分，但其實際形狀始終是一個謎團。
    四月份，一篇有關基因在接近染色體時的活動模式的論文發表于“美國國家科學院學報”，提供了關于基因組形狀功能的有史以來最有說服力的證據，盡管當時研究者描繪的基因圖清晰度并不高。而本周四發表于“科學”雜志的最新圖譜則要詳盡得多。
    “這將改變人們研究染色體的方式，就如同打開了神秘的黑匣子。我們以前不知道它們的內部構造，現在則能夠高清晰地進行觀察，努力研究基因結構與基因活力的關系，并探索細胞內部結構的變化。”戴克說。
    為了在無法直接觀察的情況下確定基因組的結構，科學家最初將細胞核浸泡在甲醛溶液中，使其與DNA相互作用。甲醛將基因鏈上相互分離而在三維空間相互鄰近的基因緊密粘合在一起。然后科學家添加一種化學藥劑將緊緊排列在一起的基因鏈分解，但完整保留了甲醛鏈接。結果顯示許多基因都是成對排列，仿佛一個凍住的面條球，被分切成一百多萬層碎片并混合在一起。
    通過對基因對的研究，科學家分辨出在最初的基因組中那些基因是互相鄰近的。利用軟件分析技術，科學家制作了一個基因組的數字雕像，那可是一個巧奪天工的作品。
    “其中沒有任何結點，也沒有任何地方纏在一起。就像很多面條不可思議地緊密排成一個大球，但是你能夠將某些面條抽出或者再放回去，卻根本不會破壞它的結構。”哈佛大學計算生物學家埃雷斯-列伯南說。
    從數學角度看，這些基因組片段按照接近于希耳伯特曲線的方式排列。希爾伯特曲線一種不經任何交叉和重疊而能填充滿一個平面正方形、繼而以同樣方式填充滿一個三維圖形的分形曲線(空間填充曲線)，由大衛-希爾伯特在1891年提出。
    研究者還發現染色體劃分為兩個區域，一個區域是活躍的基因，另一個是不活躍的基因，而不相交疊的彎曲結構使基因能夠輕易在兩個區域間自由移動。
    科學家希望了解基因組形態如何變化的。這種變化會在干細胞變成成熟細胞過程中不斷發生。“在各種細胞類型結構中會發生多少變異？什么在控制著變異出現？變異到底有多重要？這些我們都還沒搞清楚。”戴克說：“這可是一個嶄新的科學領域。”