可视化动态的DNA

　　尽管染色体被密集地排列以适应细胞核，但储存我们遗传信息的染色体总是处于运动状态。这允许特定区域接触，从而激活基因。来自奥地利科学技术研究所(ISTA)、普林斯顿大学和巴黎巴斯德研究所的一组科学家现在将这一动态过程可视化，并对DNA的物理特性提供了新的见解。

　　

从事尖端科学需要跳出思维定式，并将不同的科学学科结合在一起。有时这甚至意味着在正确的时间出现在正确的地点。对于ISTA博士后研究员、NOMIS研究员David Brückner来说，上述所有的事情都是在他参加普林斯顿大学Thomas Gregor教授的校园讲座时发生的。

受到演讲的启发，David Brückner提出了一个想法:用物理方法解释Gregor展示的特定数据集。现在，他们的合作成果发表在《Science》杂志上。他们强调了染色体上两个特定基因元素的随机运动，它们必须接触才能使基因在三维空间中变得活跃。像人类这样的生物体是建立在储存在DNA中的基因上的——这是我们的分子蓝图。DNA是一种聚合物，是由更小的个体组成的大分子(单体)。它位于每个细胞核中。

Brückner解释说:“根据生物体的不同，DNA聚合物可以长达几米，但细胞核的大小在微米量级。”为了适应微小的细胞核，DNA被像线轴一样盘绕起来，进一步压缩成染色体的形状，这是我们在生物学教科书上都遇到过的。尽管染色体高度浓缩，但它们不是静态的；它们一直在晃动，这些动态非常重要。每当一个特定的基因被激活时，聚合物上被称为增强子和启动子的两个区域需要紧密接触并相互结合。只有当这种情况发生时，细胞机制才能读取基因的信息并形成RNA分子，最终产生对生物体所需的所有过程至关重要的蛋白质。”根据生物体的不同，染色体上的增强子和启动子可能相距很远。使用以前使用的方法，你可以得到这些元素之间距离的静态视图，但不知道系统如何随着时间的推移而演变。被这些缺失的信息所吸引，科学家们开始动态地观察这些元素是如何组织的，以及它们是如何在三维空间中实时移动的。

为了实现这一目标，普林斯顿大学的实验科学家们建立了一种方法，可以在果蝇胚胎的一定时间内追踪这两种DNA元素。通过遗传操作，对DNA元件进行荧光标记，增强子区域为绿色，启动子区域为蓝色。利用实时成像(活细胞的延时显微镜)，科学家们能够可视化果蝇胚胎中的荧光点，以观察它们是如何四处移动以找到彼此的。

一旦这两个点接近，基因就被激活，另外的红光也被打开，因为RNA也被标记为红色荧光团。Brückner兴奋地补充说:“我们得到了增强剂和启动剂接触的视觉读数。这给了我们很多关于它们轨迹的信息。”

DNA是密集排列的，表现出快速的运动，当时的挑战是如何分析这个庞大的随机运动数据集。他的理论物理学背景使Brückner能够提取统计数据来理解系统的典型行为。他应用了两种简化的、不同的物理模型来分析数据。

一个是劳斯模型。它假定聚合物的每一个单体都是一个弹性弹簧。它预测了一个松散的结构和快速的扩散——一个随机的运动，偶尔基因区域会遇到彼此。另一种模型称为“分形球”。它预测了一个非常紧凑的结构，因此扩散缓慢。Brückner解释说:“令人惊讶的是，我们在数据中发现，该系统是由这两种模型的结合来描述的——一种是基于分形球模型的高密度结构，而扩散是由劳斯模型的统计数据来描述的。”

由于密集的包装和快速运动的结合，这两个基因区域的结合依赖于它们沿着染色体的距离比以前预期的要小得多。Brückner补充说:“如果这样一个系统一直处于流动和动态状态，那么远距离通信就比我们想象的要好得多。”

这项研究将生物学和物理学的世界结合在一起。对物理学家来说，这很有趣，因为科学家们用已经存在很长时间的物理理论测试了一个复杂生物系统的动力学;对于生物学家来说，它提供了对染色体特征的深入了解，这可能有助于更详细地了解基因相互作用和基因激活。

这项研究使用了一种未受保护的实验室果蝇；所有程序都得到了普林斯顿大学机构动物护理和使用委员会的批准。

Stochastic motion and transcriptional dynamics of pairs of distal DNA loci on a compacted chromosome