《Nature》表觀遺傳新發現! 果蠅蛋白質HP1a 為發育時「DNA折疊」關鍵

2021/04/19
《Nature》表觀遺傳新發現! 果蠅蛋白質HP1a 為發育時「DNA折疊」關鍵
近(14)日,德國馬克斯普朗克生物研究所(Max Planck Institute of Immunobiology and Epigenetics)的科學家,透過果蠅研究,找出一項在受精卵發育早期對

(14)日,德國馬克斯普朗克生物研究所(Max Planck Institute of Immunobiology and Epigenetics)的科學家,透過果蠅研究,找出一項在受精卵發育早期對「DNA摺疊」有關鍵作用的「異染色質蛋白1a (HP1a)」,也確立了該蛋白質為一種表觀遺傳(epigenetic)調控因子。研究發表於頂尖期刊《Nature》。

遺傳物質DNA在細胞核內並非散亂著,而是借助不同的蛋白質幫助,有條理地摺疊而成,且摺疊後的立體結構,對於基因調控十分重要。該摺疊過程起始於早期胚胎發育時,不過起始的分子機制,在科學上仍是謎題。

這支由德國發育生物學家Nicola Iovino領導的團隊,透過染色體構象捕獲技術「Hi-C」、染色質免疫沈澱定序(ChIP–seq)3D DNA螢光原位雜交(3D DNA FISH)和聚合物模擬(polymer simulation)等技術,成功解碼果蠅的HP1a蛋白在DNA摺疊時所扮演的重要角色。

研究團隊先前已發現,果蠅胚胎在受精後,染色質(DNA與摺疊相關的蛋白質組成的複合物)會發生重大的重組事件,包括:染色體著絲點(centromere)周圍高密度的染色質聚集、染色體臂的折疊,以及染色體被分為「活性結構隔室」(active compartment)和「非活性結構隔室」(inactive compartment),兩種基因表現較活躍或不活躍的區域。

他們進一步針對這些數據研究,發現其中HP1a是不可或缺的蛋白之一。其結合在著絲點上,是著絲點周邊區域染色質聚集所必須的;染色體臂內的HP1a,則負責整個染色體折疊。本研究也確立了HP1a為一種表觀遺傳調控因子。

(編按:表觀遺傳指的是在不改變核苷酸序列下,讓功能性相關的染色體發生改變、影響基因表現。)

此外,該研究的另一項亮點,在於使用全基因體聚合物模型來模擬這些機制。他們使用不同種類的10 kb聚合物珠子模擬DNA,由於在細胞核內,染色質也是聚合物,因此透過高分子物理學(polymer physics)原理,便能以電腦運算出染色體結構的變化。

研究團隊使用該聚合物模型,來探索缺乏HP1a所導致的染色質形狀變化,也藉此發現若把該蛋白質移除,DNA折疊便無法順利成型。

團隊中,負責模型實驗的瑞典弗雷德里希米歇爾生物醫學研究所(FMI)科學家Luca Giorgetti表示,運用此方法的好處在於,能夠一次模擬大量突變所產生的效果,大幅節省傳統要了解多個突變時,得一一實驗的時間。

參考資料:

1. 論文原文:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03460-z

2. https://www.sciencedaily.com/releases/2021/04/210415114120.htm

(編譯/巫芝岳)