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人类基因组大小在3G左右,这么多的DNA线性排列,完全展开其长度可以达到2米,而细胞直径是微米级别的,这意味着DNA在细胞核内肯定是高度折叠的。众所周知,结构决定功能,这样的空间结构势必对于生命体复杂的功能造成了影响。
随着基因组学研究的发展,由结构基因组学过渡到功能基因组学,科学家对于基因组各种元件的功能及其调控关系有了进一步的了解,为研究基因组三维结构和基因功能之间的关系提供了坚实的基础,进而诞生了一种新的研究领域,称之为三维基因组学,专注于研究基因组的空间结构和基因表达,调控功能的关系和影响。
随着更高分辨率的显微镜的发明,科学家对于细胞组成的不断深入,于此类似,对于染色质空间结构的认知也是一个分辨率不断提高的过程。对于染色质在细胞核内的分布,最早提出的概念为chromosome territories,翻译成染色质疆域,简写为CT,也有叫做染色质边界的。
这个概念指的是染色质在细胞核内分布的并不是随机分布的,而是不同染色体占据不同的空间。科学家通过染色体损伤实验证明了这一现象,如下图所示
左侧的图代表染色质疆域分布模型,右侧图代表染色质随机分布模型。通过激光造成基因组的局部损伤,如果随机分布,则受损区域会分布在多个染色体上,如果是疆域模型的话,则只会集中在部分染色体。显微观察的结果如下
每行代表一个样本,黑色区域为损伤区域,可以看到损伤区域只集中在部分染色体上。
染色质疆域是科学家对染色质空间结构认知的第一步,在此基础上,随着染色质构建捕获技术的发明和发展,人们对染色质空间结构的认知不断加深,相继提出了拓扑结构域TAD
,染色质环等更高分辨率的构成单元,示意如下
在后面文章中在进行详细介绍。
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