Dựng cấu hình sợi nhiễm sắc

Sơ đồ mô tả kĩ thuật 3C (Chromosome Conformation Capture).

Dựng cấu hình sợi nhiễm sắc là tập hợp các kĩ thuật phân tích tổ chức không gian của sợi nhiễm sắc trong tế bào sống, từ đó nhận biết được cấu trúc không gian (3D) của nhiễm sắc thể và phân bố các vùng gen dài (long genomic regions) trên ADN của sợi nhiễm sắc.^[1][2]

"Dựng cấu hình sợi nhiễm sắc" là thuật ngữ dịch từ tiếng Anh Chromatin Conform Capture (viết tắt là 3C), cũng có tác giả gọi là Chromosome Conformation Capture,^[3] hoặc là Capturing Chromosome Conformation.^[4] Đây là một công nghệ hiện đại, sử dụng nhiều kĩ thuật trong nghiên cứu sinh học phân tử dùng để nghiên cứu cấu trúc sợi nhiễm sắc (chromatin), nhằm hiểu biết sâu rộng hơn về cấu trúc nhiễm sắc thể ở cấp độ phân tử trong các tế bào sống. Nghiên cứu đầu tiên sử dụng kĩ thuật 3C được công bố bởi các tác giả Dekker J, Rippe K, Dekker M và Kleckner N vào năm 2002, trong đó các nhà khoa học này đã khám phá ra rằng nhiễm sắc thể thứ ba của nấm men tạo thành cấu trúc vòng lệch ("Capturing chromosome conformation" - Science. 2002 Feb 15;295(5558):1306-11).^[5]

Lược sử

Khoảng đầu những năm 2000, Job Dekker đã đưa ra ý tưởng rằng: từ các dữ liệu rất phong phú về tần số tương tác giữa các lô-cut có thể suy ra tổ chức trong không gian của cả bộ gen. Đây là cơ sở cho sự phát triển của ông và các cộng sự trong phòng thí nghiệm Kleckner tại trường Đại học Harvard về hàng loạt các thử nghiệm 3C, được công bố năm 2002.^[6]

Sau đó, năm 2006 thì Marieke Simonis đã phát minh ra 4C, rồi Dostie thuộc phòng thí nghiệm Dekker đã phát minh ra 5C. Đến năm 2007, B. Franklin Pugh đã đổi mới kỹ thuật ChIP-seq. Năm 2009, Lieberman-Aiden và Job Dekker đã phát minh ra Hi-C, sau đó là Melissa J. Fullwood đã phát minh ra kỹ thuật ChIA-pet.

Sơ lược phương pháp thí nghiệm

Đầu tiên, các bộ gen của tế bào được liên kết với formaldehyde, "đóng băng" các liên kết giữa các lô-cut trong bộ gen.^[7] Xử lý tế bào với 1-3% formaldehyde, trong 10-30 phút ở nhiệt độ phòng thí nghiệm là phổ biến nhất.^[8] Sau đó, dùng endonuclease cắt chuỗi ADN thành nhiều đoạn xác định. Các loại EcoR1 hoặc HindIII thường được sử dụng cho mục đích này, cắt ADN thành các đoạn 4000bp. Cách này áp dụng ở người sẽ tạo ra khoảng 1 triệu đoạn.^[8][9][10]

Bước tiếp theo là thắt nút dựa trên vùng lân cận. Điều này xảy ra ở nồng độ DNA thấp hoặc trong các nhân nguyên vẹn, đã được thẩm thấu với sự hiện diện của T4 DNA ligase, do đó sự thắt chặt giữa các đoạn tương tác liên kết chéo được ưu tiên hơn sự thắt chặt giữa các đoạn không liên kết chéo. Sau đó, khuếch đại các điểm nối liên kết bằng PCR.

Ý nghĩa

Hình thái học nhiễm sắc thể

Mô hình cấu trúc siêu hiển vi của nhiễm sắc thể với 5 bậc.

Nhờ phương pháp này, các nhà nghiên cứu đã khám phá ra cấu trúc nhiễm sắc thể nhân thực, mà bất kì kính hiển vi quang học hiện đại nào cũng không thể phát hiện được (hình bên).

Bệnh ở người

• Có một số bệnh gây ra bởi các khiếm khuyết trong tương tác giữa các cấu trúc bất thường phát hiện nhờ phương pháp này.
• Bệnh bạch cầu nguyên bào lympho cấp tính tế bào T.^[11]
• PPD2 (polydactyly của ngón tay cái ba đầu) là do đột biến của chất tăng cường ZRS, do đó đã tăng cường sản xuất của gen SHH.^[12][13]
• Ung thư biểu mô tuyến ở phổi có thể do sự nhân đôi của yếu tố tăng cường gen MYC.^[14]
• Bệnh beta thalassemia là một loại rối loạn máu nhất định do mất yếu tố tăng cường LCR.^[15][16]
• T-cell acute lymphoblastic leukemia is caused by an introduction of a new enhancer.^[17]

Xem thêm

• Barutcu AR, Fritz AJ, Zaidi SK, van Wijnen AJ, Lian JB, Stein JL, Nickerson JA, Imbalzano AN, Stein GS (tháng 1 năm 2016). "C-ing the Genome: A Compendium of Chromosome Conformation Capture Methods to Study Higher-Order Chromatin Organization". Journal of Cellular Physiology 231 (1): 31–5. PMC 4586368. PMID 26059817. doi:10.1002/jcp.25062. 
• Marbouty M, Koszul R (tháng 12 năm 2015). "Metagenome Analysis Exploiting High-Throughput Chromosome Conformation Capture (3C) Data". review. Trends in Genetics 31 (12): 673–682. PMID 26608779. doi:10.1016/j.tig.2015.10.003. 
• Dekker J (25 tháng 11 năm 2014). "Two ways to fold the genome during the cell cycle: insights obtained with chromosome conformation capture". Epigenetics & Chromatin 7 (1): 25. PMC 4247682. PMID 25435919. doi:10.1186/1756-8935-7-25. 
• O'Sullivan JM, Hendy MD, Pichugina T, Wake GC, Langowski J (September–October 2013). "The statistical-mechanics of chromosome conformation capture". Nucleus 4 (5): 390–8. PMC 3899129. PMID 24051548. doi:10.4161/nucl.26513. 
• Umbarger MA (tháng 11 năm 2012). "Chromosome conformation capture assays in bacteria". review. Methods 58 (3): 212–20. PMID 22776362. doi:10.1016/j.ymeth.2012.06.017. 
• Parelho V, Merkenschlager M (tháng 9 năm 2005). "Gene expression: growing up together may help genes go their separate ways". news and commentary. European Journal of Human Genetics 13 (9): 993–4. PMID 15999115. doi:10.1038/sj.ejhg.5201464. 
• Marvin M, Tan-Wong SM (23 tháng 4 năm 2016). "Chromosome conformation capture" (commercial method). Abcam PLC. Truy cập ngày 23 tháng 4 năm 2016. 
• Xét nghiệm di truyền (genetic testing).

Nguồn trích dẫn

1. “Chromosome conformation capture-based methods”.
2. “Chromosome Conformation Capture”.
3. Sati S & Cavalli G. “Chromosome conformation capture technologies and their impact in understanding genome function”.
4. Elzo de Wit & Wouter de Laat. “A decade of 3C technologies: insights into nuclear organization”.
5. Dekker J, Rippe K, Dekker M, Kleckner N. “Capturing chromosome conformation”.
6. Dekker, Job; Rippe, Karsten; Dekker, Martijn; Kleckner, Nancy. “Capturing Chromosome Conformation”.
7. Gavrilov A, Eivazova E, Priozhkova I, Lipinski M, Razin S, Vassetzky Y (2009). “Chromosome conformation capture (from 3C to 5C) and its ChIP-based modification”. Chromatin Immunoprecipitation Assays. review. Methods in Molecular Biology. 567. tr. 171–88. doi:10.1007/978-1-60327-414-2_12. ISBN 978-1-60327-413-5. PMID 19588093.
8. ^ Naumova N, Smith EM, Zhan Y, Dekker J (tháng 11 năm 2012). “Analysis of long-range chromatin interactions using Chromosome Conformation Capture”. Methods. 58 (3): 192–203. doi:10.1016/j.ymeth.2012.07.022. PMC 3874837. PMID 22903059.
9. Gavrilov AA, Golov AK, Razin SV (ngày 26 tháng 3 năm 2013). “Actual ligation frequencies in the chromosome conformation capture procedure”. PLOS ONE. 8 (3): e60403. Bibcode:2013PLoSO...860403G. doi:10.1371/journal.pone.0060403. PMC 3608588. PMID 23555968.
10. Belton JM, Dekker J (tháng 6 năm 2015). “Chromosome Conformation Capture (3C) in Budding Yeast”. Cold Spring Harbor Protocols. 2015 (6): 580–6. doi:10.1101/pdb.prot085175. PMID 26034304.
11. Krijger PH, de Laat W (tháng 12 năm 2016). “Regulation of disease-associated gene expression in the 3D genome”. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 17 (12): 771–782. doi:10.1038/nrm.2016.138. PMID 27826147. S2CID 11484886.
12. Lettice LA, Heaney SJ, Purdie LA, Li L, de Beer P, Oostra BA, và đồng nghiệp (tháng 7 năm 2003). “A long-range Shh enhancer regulates expression in the developing limb and fin and is associated with preaxial polydactyly”. Human Molecular Genetics. 12 (14): 1725–35. doi:10.1093/hmg/ddg180. PMID 12837695.
13. Jeong Y, El-Jaick K, Roessler E, Muenke M, Epstein DJ (tháng 2 năm 2006). “A functional screen for sonic hedgehog regulatory elements across a 1 Mb interval identifies long-range ventral forebrain enhancers”. Development. 133 (4): 761–72. doi:10.1242/dev.02239. PMID 16407397.
14. Zhang X, Choi PS, Francis JM, Imielinski M, Watanabe H, Cherniack AD, Meyerson M (tháng 2 năm 2016). “Identification of focally amplified lineage-specific super-enhancers in human epithelial cancers”. Nature Genetics. 48 (2): 176–82. doi:10.1038/ng.3470. PMC 4857881. PMID 26656844.
15. Fritsch EF, Lawn RM, Maniatis T (tháng 6 năm 1979). “Characterisation of deletions which affect the expression of fetal globin genes in man”. Nature. 279 (5714): 598–603. Bibcode:1979Natur.279..598F. doi:10.1038/279598a0. PMID 450109. S2CID 4243029.
16. Van der Ploeg LH, Konings A, Oort M, Roos D, Bernini L, Flavell RA (tháng 2 năm 1980). “gamma-beta-Thalassaemia studies showing that deletion of the gamma- and delta-genes influences beta-globin gene expression in man”. Nature. 283 (5748): 637–42. Bibcode:1980Natur.283..637V. doi:10.1038/283637a0. PMID 6153459. S2CID 4371542.
17. Mansour MR, Abraham BJ, Anders L, Berezovskaya A, Gutierrez A, Durbin AD, và đồng nghiệp (tháng 12 năm 2014). “Oncogene regulation. An oncogenic super-enhancer formed through somatic mutation of a noncoding intergenic element”. Science. 346 (6215): 1373–7. doi:10.1126/science.1259037. PMC 4720521. PMID 25394790.