過去幾十年來，科學家也探討過相似的假說，但在基因組3D結構研究爆炸式發展的當代，Mirny的模型，以及美國貝勒醫學院的遺傳學家Erez LiebermanAiden提出的一個類似的模型，讓這些假說在分子細節層面上升到了新的高度。這些模型巧妙地解釋了一些知名研究項目的數據（這些項目的研究對象是基因組的各部分是如何在物理上相互作用的-），並因此備受關注。

然而，這些簡單的解釋仍然存在爭議。儘管我們日益明確基因組成環會調控基因表達，並且可能與細胞發育和癌症等疾病相關，但這些模型的預測已經超出了現有的實驗觀測結果的範圍。

首先，成環的分子機制仍然是個謎。如果主要的候選蛋白如同Mirny所預測的那樣充當動力「馬達」，那它就會以前所未見的速度消耗能量。「我的一個物理學家朋友告訴我，『這就是你的領域中的希格斯玻色子』，」Mirny說；它能解釋基因組生物學最深層的奧祕之一，但可能需要多年時間才能獲得驗證。

儘管Mirny的模型與Lieberman Aiden的模型極為相似（兩者間的區別十分深奧難懂），但辨清誰纔是正確的並不僅僅是個細節問題。如果Mirny是正確的，「這就將是DNA酶學界一場徹底的革命，」英國牛津大學的染色體前沿研究者Kim Nasmyth說。他補充說，究竟是什麼驅動了環的形成「是目前基因組生物學領域最大的難題」。

基因成環的研究歷程

三十多年前，遺傳學家就知道基因組可以形成環，使調控因子接近它們所控制的基因，但並不清楚這些環是如何形成的。

多年來，一些研究者分別提出了環擠壓理論的不同版本。第一個提出類似觀點的是美國希望之城貝克曼研究所的遺傳學者Arthur Riggs，在一篇被忽視的1990年論文中，他率先提出被他稱為「DNA成卷」的想法。但人們普遍認為首先提出這一概念的是Kim Nasmyth。

按照Nasmyth的說法，2000年的某一天，他在義大利阿爾卑斯山區登了一天的山後產生了這個想法。那時，他和他的同事剛剛發現環狀的黏連蛋白，這種蛋白複合體的主要作用是在細胞分裂時幫助分離染色體拷貝。在擺弄自己的登山工具時，Nasmyth突然意識到，染色體可能是主動穿過黏連蛋白、或者相關的複雜凝縮蛋白的，就像繩子繞過登山扣一樣。「這似乎解釋了一切，」他說。

在一篇長達73頁的綜述中，Nasmyth用幾個段落描述了這個想法。「根本沒人注意到它，」他說——就連美國西北大學的生物物理學家John Marko也沒有對此提起注意——正是他在十多年之後建立起了與Nasmyth文字論證相補充的數學模型。

大約五年後，Mirny也加入了為DNA環建模的行列。他希望能解釋生物學家Job Dekker編製的數據集。Dekker是他的一位長期合作者，就職於美國麻省大學醫學院。Dekker一直在利用Hi-C技術尋找染色體不同位置間的物理相互作用，在這一方法中，科學家測序相鄰的小段DNA，生成每個染色體的圖譜，通常以狀如分形的「棋盤」形式：沿主對角線顏色最深的方塊代表相互作用最密切的位置。

Dekker和他的合作者生成的Hi-C快照揭示出了明顯呈不同區隔的環，其相互作用發生在20~100萬鹼基長的離散DNA片段間。

這些「拓撲關聯結構域」（TAD）就像一列擁擠的火車上的車廂。人們能在同一節車廂中走動，接觸其他乘客，但只有穿過車廂盡頭的門才能與相鄰車廂的乘客互動。人類基因組長達30億核苷酸，但大多數相互作用發生在局部TAD區域內。

當時，Mirny和他的團隊已經努力了一年多，試圖利用計算機模擬來解釋TAD的形成。隨後，Mirny碰巧參加了一場學術會議，會上，Marko談起了他當時還未發表的環擠壓模型（Marko創造了這個術語，並沿用至今）。這正是Mirny想尋找的答案中的缺失一環。他們嘗試了環擠壓模型，發現它真的奏效。形成環的物理作用能讓局部區域保持有序，模型也再現出了Hi-C圖譜中的許多精細特徵。

2015年8月，Mirny和他的同事在bioRxiv預印本平臺上發布了他們完成的手稿，他們謹慎地使用了一個寬泛的術語，將該模型描述為「環擠壓因子」。但文章並沒有迴避對其具體身份的猜測：分裂期細胞成環過程的驅動力是黏連蛋白，此時的染色體呈鬆散狀。此後，他們在另一篇文章中提出，在染色體緊密纏繞的細胞分裂期間，凝縮蛋白髮揮了同樣的作用。

一個關鍵的線索是CTCF蛋白。人們已經知道，它在未凝集染色體的每個環的基部與黏連蛋白相互作用。很久以來，研究者都認為環是在這些CTCF蛋白隨機相遇並結合時在DNA上形成的。但如果任意兩個CTCF蛋白都能配對，為什麼這些環只形成於局部，而不會在相隔遙遠的位點間形成？

Mirny的模型假設CTCF是黏連蛋白的一個終止標誌。如果黏連蛋白只在正在形成的環的每一側都遇到CTCF時才停止擠壓DNA，蛋白就會自然而然地結合在一起。

然而，提出黏連蛋白髮揮了驅動作用是「一個巨大的跨越」，生物物理學家Geoff Fudenberg說。他在Mirny的實驗室完成了博士學業，現在就職於加州大學舊金山分校。「沒有人曾在活細胞中，甚至體外觀察到過這些馬達蛋白髮揮這樣的作用，」他說。「但我們發現，利用這一原理，數據所呈現出的所有不同特徵都能得到統一。」

舉例來說，實驗結果表明，細胞中黏連蛋白量的減少會導致形成的環減少。過度活躍的黏連蛋白則會產生大量的環，導致染色體被壓成小蠕蟲狀的結構。

上述研究的作者在解釋自己的結果時遇到了困難。然後，Mirny的文章在bioRxiv上發布了。「有史以來第一次，一篇預印本真正改變了人們在這個領域思考問題的方式」，英國醫學研究委員會倫敦醫學研究所的細胞生物學家Matthias Merkenschlager說。（Mirny團隊的研究成果最終於2016年5月發表在了Cell Reports上。）

多重發現？

Lieberman Aiden說，他在2015年3月的一個電話會議中首次產生了環擠壓的想法。在那時，他和自己前導師，美國博德研究所的遺傳學家Eric Lander已經發表了當時解析度最高、最為詳細的Hi-C人類基因組圖譜。

在電話會議中，Lieberman Aiden試圖解釋自己的數據中一個奇怪的現象。幾乎所有錨定環的CTCF結合點都有著相同的方向。他意識到，作為擠壓的終止標誌，CTCF具有固有的方向性。正如同司機不必理會交叉路口中與他們的前進方向不同的停車標誌，環擠壓因子也會一直通過CTCF位點，除非終止標誌朝向的是正確的方向。

他的實驗室通過系統敲除CTCF結合位點測試了這一模型，並重新繪製了Hi-C染色體圖譜。得到的數據再一次與模型吻合。2015年7月，團隊投出了他們的論文，並在三個月後發表。

Mirny於2015年8月在bioRxiv發布的文章並沒有得到同等水平的實驗驗證，但用計算機模擬解釋了CTCF的方向偏好。事實上，兩種模型做出了同樣的預測，這使得一些人猜測Lieberman Aiden的想法是不是來自Mirny的論文。但Lieberman Aiden堅稱自己獨立提出了他的模型。「我們在看到他們的手稿前就提交了文章，」他說。

兩個模型間存在微小的差別。Mirny用來描述他模型的漫畫顯示，擠壓過程由一個黏連蛋白的環完成，而Lierberman Aiden的模型中有兩個呈手銬狀連接的環（參見「馴服纏結」一圖）。英國倫敦大學學院的細胞生物學家Suzana Hadjur稱，在確定黏連蛋白在擠壓過程中扮演的角色時，這一機制上的細微差別「絕對是基礎性的」。

有關這一系統使用了一個還是兩個環，Lieberman Aiden 和Mirny都沒有特彆強烈的觀點，但他們在黏連蛋白在環形成過程中的核心貢獻上持有不同意見。Mirny堅持該蛋白是成環的驅動力，而Lieberman Aiden基本上反對這種觀點。他認為黏連蛋白「只是個大甜甜圈」，它的作用並沒有那麼大。「它能夠開合，但我們非常、非常確定黏連蛋白本身並不是驅動力。」

相反，他猜測是其它因子在驅動黏連蛋白移動，領域內的許多研究者對此表示認同。荷蘭伊拉斯姆斯大學醫學中心的分子生物物理學家Claire Wyman指出，目前，人們已知黏連蛋白僅僅在結合和釋放DNA的過程中消耗少量能量，因此，認為它能沿著染色體、按Mirny的模型所需的速度驅動成環有些牽強。她說：「我願意承認這是有可能性的，但就算拿魔力8球占卜，它也會說『一切跡象都表明不是』。」

RNA聚合酶可能是驅動這一過程的一類蛋白，它是將DNA模板翻譯成RNA的酶。在發表於《自然》的一項研究中，奧地利分子病原學研究所的染色體生物學家Jan-Michael Peters以及他的同事發現，在將基因翻譯成RNA的過程中，RNA聚合酶能使黏連蛋白沿基因組長距離移動。「RNA聚合酶可能是驅動環擠壓的動力之一，」Peters說。但他也補充表示，數據顯示它並不是唯一的驅動力。

倫敦弗朗西斯克裏克研究所的生物化學家Frank Uhlmann提供了另外一種解釋，這種解釋完全不需要馬達蛋白的參與。在他看來，黏連蛋白複合體沿著DNA隨機滑動，直到遇到一個CTCF位點並形成環。Uhlmann說，此模型僅需要相鄰DNA發生隨機作用，其可能性要大得多。他說：「我們不需要對沒有實驗證據的行為做出任何假設。」

研究者正試圖為這兩個模型收集實驗證據。在美國勞倫斯利物莫國家實驗室，生物物理學家Aleksandr Noy正試圖在試管中觀測環擠壓作用。他只放入了三種原料：DNA，一些提供能量的三磷酸腺苷（ATP），以及細菌中與黏連蛋白和凝縮蛋白等效的蛋白複合體SMC。

「我們觀察到了DNA被壓縮成帶環的花朵狀的證據，」Noy說。他和Mirny在這個項目上也有合作。這說明SMC（擴展來說，還有黏連蛋白）可能充當了馬達的角色。但它也可能並沒有這種功能。「事實是，我們現在還無從知曉，」Noy說。

細菌電池

可能最接近於證實黏連蛋白髮揮著馬達作用的實驗結果發表於2017年2月。哈佛大學醫學院的細菌細胞生物學家David Rudner和他的同事製作了枯草芽孢桿菌的延時Hi-C圖譜，該圖譜顯示，SMC沿著染色體壓縮，並以每分鐘超過五萬DNA鹼基的速度成環。這一速度與研究者所估計的Mirny模型在人類細胞中發揮作用所需的速度相當。

Rudner 尚未證明SMC在這一過程中利用了ATP，但他表示自己已經很接近了；如果黏連蛋白在人類細胞中的工作方式與之不同的話，他會「大喫一驚」。

截至目前，關於黏連蛋白究竟在細胞內做了什麼（或者沒做什麼）的爭論仍然甚囂塵上，許多研究者，包括加州大學伯克利分校的細胞生物學家Doug Koshland，堅持認為需要對Mirny的看法保有合理的懷疑。「我擔心簡單、精緻的環擠壓模型已經被寫進了教科書，儘管現在還不是時候，」他說。

此外，Mirny指出，儘管這似乎只是專家之間的學術爭論，但如果他的模型是正確的，它也將會對人們的生活產生影響。舉例來說，在癌症中，黏連蛋白常常發生突變，CTCF位點也會改變。人們也在一些人類發育障礙中發現了黏連蛋白缺陷。Mirny說，如果環擠壓過程是這些疾病背後的原因，或許更深入地理解馬達蛋白將有助於解決這些問題。

但他的主要興趣仍然在基礎問題上。他只想瞭解為什麼DNA是以現在的方式裝配的。與此同時，儘管他的模型對黏連蛋白做出了大量假設，但「問題是除此之外，我並不知道任何能解釋這些環的形成的其它方式，」Mirny說。?DNAs secret weapon against knots and tangles但他的主要興趣仍然在基礎問題上。他只想瞭解為什麼DNA是以現在的方式裝配的。與此同時，儘管他的模型對黏連蛋白做出了大量假設，但「問題是除此之外，我並不知道任何能解釋這些環的形成的其它方式，」Mirny說。?

DNA's secret weapon against knots and tangles?

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Nature|doi:10.1038/544284a

原文發布在2017年4月19日的《自然》新聞上，作者：Elie Dolgin

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