【3D Genome】何謂染色體三維組織 – 為何要研究染色質的三維空間相對位置

人類單套基因組約包含 30 億個鹼基對（bp），如果將其中的 DNA 雙股螺旋全部拉直，總長度約為 1 公尺。一般人體細胞具有兩套基因組，因此 DNA 總長度約為 2 公尺，而細胞核的直徑卻只有約 5 到 10 微米。從尺度變化上不難看出，細胞核內的DNA會是以折疊的方式保存的。在細胞分裂間期時，染色質實際上是散開一團的方式存在於細胞核內。常見的棒狀染色體是「細胞分裂期」，尤其是有絲分裂中期（metaphase）時才會被打包的型態。染色質平時是散成一團，卻並非隨機的一團，而是保有特定相對位置關係的方式。

特別是染色質的資訊被細胞讀取轉錄時，會形成特殊的折疊形式，其中一種最常見的類型稱為增強子-啟動子環(E-P Loop)。增強子是特定區域的染色質對另外一端轉錄起始區具有增強指令作用的編碼，由於兩段區域不是直接在相鄰區域，因此實際上是透過彎折線段的方式讓兩端物理相對位置鄰近的，因此折彎的這個結構稱增強子-啟動子環(E-P Loop)。而E-P Loop不一定是轉錄時才存在，有些是穩定存在，因此染色質序列的物理空間相對位置其實扮演了調控機制的程序。

大家常說的基因是指人類的DNA雙股螺上的一段編碼(ATCG的序列)，它對應到要被細胞製造的蛋白質的資訊。然而，有基因的編碼，不代表該基因對應到的蛋白質一定會被生成，細胞實際上是動態在”決定”要不要生產哪些蛋白質，而這種過程稱為調控。最簡單的例子是同一個人的手指細胞跟胃細胞的DNA完全一樣，但手指不會分泌胃酸，這是因為胃細胞的ATP4A CA2 編碼的相關基因活化之後，CA2 基因所編碼的碳酸酐酶(酶就是蛋白質，又稱酵素)會慛化讓CO2+H2O產生反應生成生成氫離子，再由 ATP4A、ATP4B 編碼的質子幫浦將氫離子運送至胃腔，然後與蒐集到的氯離子生成鹽酸(HCL)。手指沒有生成胃酸的整套機制，自然不會產生化學反應生成物質。這就是所謂的調控機制。而前述提到的染色質彎折，一團的形式，自然和調控機制有關。除了前述基因調控還涉及 DNA 甲基化、組蛋白乙醯化與甲基化等多種分子修飾機制，因此整個調控系統十分複雜。

也因此，染色質的三維相對位置的關係是研究底層分子生物機制的前沿的研究領域。目前人類僅確切知道DNA雙股螺上的編碼為何，卻仍不清楚詳細具體讀取這些編碼產生化學反應輸出的複雜動態機制。在這領域已知的事實是，要產生前述提及的染色質環有具體的蛋白質與流程，也就是CTCF、cohesin 與 loop extrusion 如何動態折疊出染色質環。但我們對於染色質之間，以及細胞分子之間，如何動態分配染色質的相對位置仍所知甚少。一個假設是，這些染色質之間在物理空間中的相對位置很可能本身就是演化隱式保存一定調控資訊的”地方”。因此，有專門領域研究這塊，稱之為染色體三維結構，或是染色體三維組織(3D Chromatin Organization)。

由於染色體三維結構在物理空間的相對位置不好用顯微鏡直接觀察紀錄每個位置的真實對應位置，因此實際上是用稱為染色質構象捕獲技術以及其延伸的技術來分析。其具體作法是用甲醛(俗稱福馬林)，把染色質在物理空間中鄰近的螺旋固定在一起（稱為交聯），然後用酶切段之後，把被黏的兩條兩端接起來，定序的時候就紀錄兩段序列有交聯，後續建立的是交聯的次數統計。這個技術路線常見的有3C，4C，Hi-C，HiChIP 等。就是想辦法用一個二維的矩陣表示兩個位點(染色體的座標)，之間的連接片段的定序計數是多少，來近似或”猜測”，這兩位置之間的物理空間相對位置的遠近，以及這種遠近關係的變化，是否與前述提及的調控機制有關。

目前人類已知的知識大多集中在序列本身，以及序列對應的產物與功能。但尚未清楚知道細胞什麼情況下會產生序列的產物，以及詳細怎麼產生的機制。因此不能單論有某基因就一定會如何，很大程度還是要看調控機制與環境的互動，而調控機制尚存大量未知變數。這就像是人類從很早就知道如何語言創造符號，編寫字典，以及語法規則（從非母語者的角度看），但人類始終沒有相對應的知識知道如何把詞語之間的關係，以及邏輯編寫成一套規律機制（人類當然有嘗試過知識圖譜），直到GPT的出現，人類終於實現了這種機制的外部可操作化。生物領域也是類似，只是目前還沒有看到生物領域的GPT時刻。而這也是未來人類值得探索的可能性之一。

楊 明翰

是一個對 “下一個世代” 的醫療科技充滿熱血的 Bioinformatican

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