科學家觀測到人類基因組DNA上的「年輪」

日前，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誌物,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，該研究已在線發表於Nature旗下Cell Research雜誌上。

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，目前基於 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於其涉及多種蛋白和 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，並且可以直接結合 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 等基因組重複序列的成像結果進行細緻分析，發現利用傳統的 TALE 標記基因組重複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、易於操作等優點，可廣泛應用於胚胎幹細胞、誘導性多能幹細胞、成體幹細胞、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，並揭示 28S 核糖體 DNA 主要分佈於核仁區的外周，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，並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誌物。

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，並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誌物的確立也將為衰老的基礎和轉化研究提供助力。