Epi-PoreC: a nanopore-based method for simultaneous profiling of chromatin conformation, DNA methylation, and chromatin accessibility
该论文介绍了一种名为 Epi-PoreC 的新型基于 Oxford Nanopore 的方法，该方法能在单次实验中同时对单个 DNA 分子上的染色质构象、DNA 甲基化和染色质可及性进行图谱分析。
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基因组不仅仅是存储在细胞内的静态指令库；它是一个动态的三维结构，通过折叠和扭转来控制基因如何被读取。为了理解生命是如何运作的，科学家必须同时从三个不同的角度观察这种结构。首先，他们需要观察 DNA 链中相距较远的部位是如何接触并相互作用的，从而形成回路和桥梁，将特定的基因置于其调节因子的控制之下。其次，他们必须绘制附着在 DNA 上的化学标签的图谱，这些标签就像开关一样，可以在不改变底层代码的情况下开启或关闭基因。第三，他们需要识别哪些 DNA 部分是开放且可供细胞机制使用的，而哪些部分是紧密堆积并隐藏起来的。多年来，研究人员一直不得不分别研究这三个特征，在不同的样本上使用不同的实验。这种方法留下了空白：因为测量是分开进行的，因此无法准确知道单个 DNA 片段的折叠、化学标签和可及性在同一时刻是如何相互关联的。
印第安纳大学的一个研究小组现在通过一种名为 Epi-PoreC 的新方法弥补了这一空白。通过将三种成熟的技术结合到一个工作流中，他们创造了一种能够同时捕捉单个 DNA 分子的形状、化学状态和可及性的方法。该方法依赖于一种被称为纳米孔测序的技术，即通过将长链 DNA 拉过一个微小的蛋白质孔，并测量分子通过时电流的变化来读取 DNA。这项技术功能强大，可以读取非常长的 DNA 片段，从而使科学家能够观察两个接触点之间的距离，并在过程中检测化学修饰。研究人员在拟南芥（Arabidopsis thaliana，一种广泛用于生物研究的小型开花植物）的细胞核上测试了他们的新方法。他们提取植物组织，分离出细胞核，然后进行一系列化学步骤，旨在将 DNA 固定在其天然 3D 形状中，标记开放区域，并为读取做准备。
该过程始于通过交联 DNA 来锁定其折叠结构。随后，研究人员使细胞核通透化，以便一种酶进入并用特定的化学标签标记基因组的可及区域。这一步借鉴了名为 Fiber-seq 的技术，用于识别 DNA 的哪些部分是开放且可供使用的。在标记之后，DNA 被切割成易于处理的片段，而在 3D 空间中相互接触的末端会被重新粘合在一起，从而创造出基因组结构的物理记录。这一步被称为染色体构象捕获，它确保了在细胞核内原本靠近的任何两个 DNA 段在最终样本中仍保持连接。生成的 DNA 链随后被送入纳米孔测序仪。当长链经过孔径时，机器会读取字母序列，并同时检测化学标签以及 DNA 片段被粘合在一起的连接处。由于整个过程发生在单个分子上，研究人员可以准确看到哪些化学标签和哪些结构连接属于同一段 DNA。
这种集成的结果令人瞩目。当团队将新方法生成的图谱与通过单独运行三种技术创建的图谱进行对比时，数据匹配得极其精确。染色体如何折叠并相互接触的模式与标准实验中观察到的几乎完全一致，这表明对 DNA 进行标记所需的额外步骤并未扭曲基因组的自然形状。同样，DNA 可及性的化学图谱和天然化学修饰的位置与独立方法产生的结果也无法区分。研究人员发现，新方法可以检测复杂的相互作用，例如发生在染色体中心附近密集、重复区域的相互作用，而这些区域通常是其他技术难以研究的。虽然新方法产生的 DNA 读取长度比标准版本的结构制图技术略短，但其长度仍足以揭示基因组复杂的折叠模式。
这项工作证明，将基因组视为一个统一的系统而非一系列独立的部件是可能的。通过同时捕捉 DNA 的形状、化学状态和可及性，Epi-PoreC 提供了一个更完整的基因组功能图景。该方法对于研究复杂的或重复的基因组区域特别有价值，在这些区域，长读段对于区分不同部分至关重要。研究人员指出，虽然该方法非常有效，但额外的酶促步骤确实会导致可读取 DNA 链长度的轻微减少，这可能会限制在最具挑战性区域的分辨率。尽管如此，将基因组的物理架构直接与其化学景观联系起来的能力，在单个分子水平上实现了这一目标，为理解基因是如何受调控的打开了大门。这种集成视角允许科学家提出以前无法回答的问题，例如，特定 DNA 回路的折叠如何影响该回路上的化学标签，或者当一个区域与染色体远端部分发生相互作用时，其可及性如何发生变化。随着技术的不断改进，这种单分子分析有望深化我们对驱动生命的复杂机制的理解。
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