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長達兩公尺的遺傳資訊如何塞進六微米的細胞核?讓我們從染色體上的「拓樸結構域」談起

活躍星系核_96
・2019/04/26 ・2341字 ・閱讀時間約 4 分鐘
  • 文/張家銘│  政治大學資訊科學系生物資訊實驗室,希望透過資訊方法的幫忙,來一探生物之秘。

收納大作戰,兩公尺長的遺傳資訊怎麼收?

我們知道每個細胞攜帶 23 對染色體,而這遺傳資訊儲存在細胞核中,相較於 6 微米的細胞核,把存在其中的 DNA 資訊拉直約有 2 公尺長,這有多麼不可思議? 有如把繞地球 3 百多萬圈的細繩,放到一顆籃球裡面,這究竟是如何折疊存放的?

圖/ OpenStax@Wikimedia Commons [CC BY 4.0]

這一切得從最簡單的 DNA 兩條序列開始,華生跟克里克在 1953 年提出 DNA 雙螺旋結構,也就是兩條序列有如雙螺旋般環繞,再往上一層,約 146 個 DNA 鹼基對環繞著組織蛋白 (histone) 構成 10 奈米大的核小體,有假說這如一串珠珠再纏繞形成 30 奈米的細胞質纖維(chromatin fibers),最後形成整個染色體,這中間的三級結構又是如何架構?

首先要想辦法搞清楚 DNA序列之間是否有結構上的特徵。但 DNA序列這麼多這麼長,該怎麼做起呢?

染色體上的結構特徵:拓撲結構域

2002 年美國哈佛大學 Job Dekker 等人發表染色體結構捕獲技術 (Chromosome Conformation Capture, 3C)1 ,主要利用甲醛將染色體空間中相近DNA序列固定住,然後透過限制酶剪開特定字串功能,將染色體裁切成小片段,進而把空間中相近DNA序列成對連接,最終透過 PCR 來觀察特定DNA片段在空間中是否相近交互。後續不斷有技術演進,其中 Hi-C 結合次世代定序技術 (next- generation sequencing)2與生物資訊分析方法,更易得到全基因組層面的成對 DNA 相近序列。

這些技術讓科學家進而推導出許多染色體結構上有趣的特徵,其中一個就是 TAD 拓撲結構域(Topology Associated Domain, 縮寫為TAD) 。

可將TAD想像成捲成一團的毛線球。圖/maxpixel

TAD 首先在 2012 年果蠅與人類的 Hi-C 論文中被提出來3,4,從 Hi-C 資料來看,TAD 區段內彼此交互的頻率會遠高於該區段外 (即空間上彼此會靠得比較相近,可以想像成一條線在這邊捲成一團,如毛線球),此性質可形成各自獨立的基因調控區域 ,隔開不該對應的啟動子 (promoter) 與增強子 (enhancer),避免錯誤的調控。

TAD可以依據不同生物特性,進一步區分成不同類別,如:活躍(active)、抑制(repressed)等。如何找出 TAD 的邊界、滿足上述性質,可以表達成一個數學問題,也就是給定一個 2 維數字矩陣 (Mi,為交互作用強度介於第 個與第 個基因體位置),如何找出區間集合 S,使得 (Mi,j > Mi,k | i,j ∈ Sx, k∈Sy)

究竟,TAD是染色體結構中真實存在的單位?還是 Hi-C 實驗中細胞群統計平均所得到的數學抽象概念?筆者本身參與了相關的研究5-7,剛好要試著回答這問題。

這一系列的研究,牽涉了相當多不同的技術。首先結合超高解析度光學顯微鏡 (dSTORM)與先進的 DNA標記技術 (Oligopaint),Cattoni 等人在單細胞層次觀察奈米尺度 TAD接觸行為,透過量化TAD內與外空間上接觸強弱機率,發現接觸強弱與細胞的型別、表觀的基因調控息息相關5

接著 Szabo 等人進一步將顯微鏡光學標記(probe)標識在不同表觀類別的 TAD 上6,發現到,不同表觀 TAD 有著不同的行為:抑制 TAD 可觀察到為穩定的染色體組建單元,然而活躍 TAD 看不到空間中形成相對應的球聚架構 (圖一)。透過計算顯微鏡下奈米結構單元數量與當初所標記的抑制 TAD 數量一致,證明抑制 TAD 為染色體三級結構組成的基本奈米結構。另外,在顯微鏡底下可發現 TAD 內的兩點果真比TAD外的兩點距離來得短,再次證明 TAD 在三級上會形成一個較為緊密的架構,此外相同表觀類別的 TAD 在空間上較容易接觸。。

圖一. 左-粉紅色光學探針平均標示在 3M bps 的區段上,其中對於單一TAD另外標上綠色探針;右-依所標示的 TAD不同類別觀察 – 抑制 (Blue, Black) 和 活躍 (Red),可以看到單一TAD綠色探針在抑制TAD會形成一球,但在活躍TAD卻是分散的。圖/參考資料6 © The Authors, some rights reserved; exclusive licensee American Association for the Advancement of Science. Distributed under a Creative Commons Attribution NonCommercial License 4.0 (CC BY-NC) )

另外,染色體的結構在發育過程中也並不是固定一成不變的。Ogiyama 等人透過HiC實驗觀察染色體三級結構在果蠅胚胎發育的變化過程7,發現到染色體的結構是漸進式出現的:從前期無任何特定模式,到晚期形成 TAD 形式,這進展的過程與基因調控有密切的關係。

早期週期 1 到 8 染色體較為隨機的狀態,接著第一波 zygotic 轉錄時(週期 9~13),開始形成特定的活躍染色質環 (chromatin loop),接著才是TAD的形成,在更晚的週期 14,抑制的染色質環開始形成,最後跨整個染色體的長距離接觸在胚胎晚期系統地建立起來。

未來展望

近來利用超解析螢光顯微鏡8或電子顯微鏡9直接來觀察染色質結構也有所突破,打破先前教科書上理想的模型:「從10納米的串珠,往上架構成30納米的染色質纖維,再往上構成更大100~200納米的纖維」。科學家發現染色質會因細胞型別有各式不同的動態單元 (nucleosome clutches)8 或 5~20納米無序的鏈9。相信之後結合 Hi-C 與顯微鏡兩種資訊,人們終可以一解染色質結構功能之謎,並且回答更多的問題,例如:TAD 形成原因,其在演化上扮演的角色,與轉錄作用間的連結……等。

備註

  • 若藍球直徑 24.5 公分, 則籃球直徑為細胞核的 40833 倍 (0.245/6 * 106 = 40833.33),就體積來說,一顆籃球約可以放入 408333 顆細胞核,把這些細胞核內染色體接起來 2*408333,若地球直徑為 40075 公里,共可繞 2*408333/(40075*1000)= 3397741 圈

參考資料

  1. Dekker, J., Rippe, K., Dekker, M. & Kleckner, N. Capturing Chromosome Conformation. Science 295, 1306–1311 (2002).
  2. Lieberman-Aiden, E. et al. Comprehensive mapping of long-range interactions reveals folding principles of the human genome. Science 326, 289–93 (2009).
  3. Sexton, T. et al. Three-dimensional folding and functional organization principles of the Drosophila genome. Cell 148, 458–72 (2012).
  4. Dixon, J. R. et al. Topological domains in mammalian genomes identified by analysis of chromatin interactions. Nature 485, 376–80 (2012).
  5. Valeri, A. et al. 2017. Single-cell absolute contact probability detection reveals chromosomes are organized by multiple low-frequency yet specific interactions. Nature Communications. 8, 1 (2017), 1753.
  6. Szabo, Q., Jost, D., Chang, J.-M., Cattoni, D., Papadopoulos, G., Bonev, B., Sexton, T., Gurgo, J., Jacquier, C., Nollmann, M., Bantignies, F. and Cavalli, G. 2018. TADs are 3D structural units of higher-order chromosome organization in Drosophila. Science Advances. 4, 2 (2018), eaar8082.
  7. Ogiyama, Y., Schuettengruber, B., Papadopoulos, G., Chang, J.-M. and Cavalli, G. 2018. Polycomb-Dependent Chromatin Looping Contributes to Gene Silencing during Drosophila Development. Molecular cell. 71, 1 (2018), 73–88.e5.
  8. Ricci, M. A., Manzo, C., García-Parajo, M. F. F., Lakadamyali, M. & Cosma, M. P. Chromatin fibers are formed by heterogeneous groups of nucleosomes in vivo. Cell 160, 1145–58 (2015).
  9. Ou, H. D. et al. ChromEMT: Visualizing 3D chromatin structure and compaction in interphase and mitotic cells. Science 357, eaag0025 (2017).

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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少顆牙齒照樣能吃飯呀!缺牙該怎麼處理?不處理會怎樣?

careonline_96
・2021/09/28 ・2882字 ・閱讀時間約 6 分鐘
缺牙怎麼辦?不處理會怎樣?植牙與牙橋 牙醫師圖文解析

「醫師,我下巴的關節會痛,咬東西很吃力。」王小姐蹙起眉頭抱怨,「這幾天連頭都跟著痛。」

「請張開嘴讓我看看。」醫師仔細檢查過後問,「你的小臼齒掉多久了?」

「好像兩…三年了吧。」王小姐努力回想,「那時候蛀牙比較厲害,只好整顆拔掉,本來有打算要後續處理,但是工作一忙就耽擱了。」

一般成年人有 32 顆恆齒,可能因為蛀牙或外力撞擊而導致缺牙,很多人會認為少顆牙也能吃東西,所以就放任不處理,但是缺牙不處理其實可能導致一連串的麻煩。

缺牙的影響主要會區分成兩個部分,「口內」及「口外」,泉玥牙醫診所院長郭光哲解釋,「口內」指的是口腔內環境的變化,「口外」則是口腔外,如臉形、外觀的變化。

假設缺牙的數目較少,僅缺少一、二顆牙齒,「口外」的部分,也就是外觀上不會有太明顯的變化。但在「口內」的部分就可以觀察到,前後牙齒會產生部份位移,甚至有傾倒的狀況。郭光哲牙醫師指出,「患者經常覺得,反正還有其他牙齒可以咀嚼,所以便沒有積極處理缺牙,但是鄰近牙齒傾倒或位移的狀況,常常導致齒縫大小的變化,或是更容易塞東西,長期下來可能導致牙周病、或蛀牙的問題。」

前後牙齒傾倒後,也會對原本咬合的平面造成干擾,郭光哲牙醫師表示,我們的嘴巴在咀嚼的時候,並非單純的上下移動,而是有著更複雜的前後、左右咬合模式。當咬合受到干擾,長期下來可能會導致一些顳顎關節障礙(Temporomandibular Joint Disorders)。

顳顎關節障礙的症狀包括顳顎關節痛、咀嚼疼痛、耳朵周遭疼痛等,這些都是日積月累下來的問題。

缺牙不處理問題一籮筐

如果缺失的牙齒較多,「口外」的部分就會產生變化,例如很多老年人的臉頰凹陷。另外,由於多數患者缺少的牙齒會從後側開始,郭光哲牙醫師分析,為了咬東西,他們常常會把下顎骨往前移動,試圖用更多的前牙來咬東西,所以會看到漸漸呈現出類似「戽斗」的外觀。

「口內」的部分,因為缺失的牙齒越來越多,會喪失一些咀嚼的功能,吃東西越來越不方便,因為嚼不爛、嚼不碎,可能連腸胃都不舒服,甚至無法攝取足夠營養。郭光哲牙醫師說,隨著口內環境越來越複雜,容易產生牙周病、滋生更多細菌,倘若這些細菌進到腸胃道或血液循環,會造成更多更多的併發症。

植牙、做牙橋,缺牙治療比一比

所謂的牙橋,就像是在缺牙的位置架一座橋,需要前後牙齒來擔任橋墩,提供固定與支撐,郭光哲牙醫師分析,想製作牙橋得符合一些條件,首先必須具備穩固的前後牙,假設缺少的牙齒是整個象限的最後一顆牙齒,後面只剩下牙齦的時候,便無法做牙橋。

接下來,要評估當做橋墩的兩個支柱牙的健康狀態,它的牙周必須非常健康,沒有任何動搖,才不會使原本的問題惡化。

因為很多患者都是已經缺牙很久了,才想要處理缺牙的問題,所以鄰近牙齒可能會有移位、傾倒的狀況。倘若牙齒因為長時間的磨耗,長度變短、牙冠高度不足,也沒辦法做牙橋。

一般而言,製作牙橋需要的時間比較短,郭光哲牙醫師解釋,通常拔完牙大約 8 週後,牙齦會達成基礎的成熟,可以開始介入治療。從拔牙開始計算,大概 12 周以內就可以完成牙橋。

牙橋的缺點是需要修磨前後牙齒,目前牙科的觀念會認為牙齒能不修就不修,修得越少越好,希望盡量保存原來的齒質。

另一個缺點是牙橋比較不容易清潔,因為是連成一組的裝置,橋墩下方的清潔便比較困難,再蛀牙的風險較高,必須靠牙間刷或沖牙機來清潔。

第三個缺點是當牙橋出問題時,必須要整組拆掉再重新治療,因為之前已經磨掉一些齒質,如果又出現蛀牙的話,這些支柱牙的齒質狀況就會變得非常不好,甚至面臨拔掉的命運。

缺牙治療比一比

植牙的好處是不需要修磨前後牙,比較容易清潔,且咬合力量趨近真實牙齒,然而並非所有人都適合植牙。郭光哲牙醫師提醒,骨質疏鬆患者若接受雙磷酸鹽藥物治療,短時間之內不能接受任何牙科手術。罹患慢性疾病,如高血壓、糖尿病等,若是沒有好好控制,可能增加手術風險、感染風險、影響手術傷口癒合、甚至骨頭不會生長,也不適合植牙。另外,存在嚴重牙周疾病的患者,傷口感染的風險較高,亦不建議植牙。

假牙材質要知道

假牙的材質主要有全金屬、金屬燒瓷、全瓷等幾類,郭光哲牙醫師說,現在因為大家都很注重牙齒的美觀,能夠接受全金屬牙冠的人相對比較少,所以大多會選擇全瓷材料,或是裡面是金屬,外面燒上一層牙齒顏色的瓷。

金屬燒瓷是兩種材料的結合,製作時需要先修出金屬的厚度,再修出陶瓷的厚度,所以牙齒的修磨量相對比較大。長期使用後,如果患者的牙齦有些萎縮、退縮的現象,邊緣可能露出黑色細線。

另外,金屬燒瓷可能會遇到瓷崩的狀況,表面的瓷崩落了,裡面的金屬就會露出來,除了影響美觀之外,咬合高度也會受到影響,無法緊密地咬在一起,郭光哲牙醫師說,崩落的表面通常會比較粗糙,比較難清潔、容易讓牙菌斑附著,而導致後續的問題。

全瓷材料可製作出擬真度高的牙齒,已廣泛應用於牙科領域,郭光哲牙醫師說,目前經常用來製作全瓷牙冠的材料是二氧化鋯,二氧化鋯的生物相容性佳,具有較高硬度。藉由立方體晶像結構,可以減少光線散射,增加二氧化鋯的透明度。全瓷牙是在電腦上設計,並由電腦進行切削,能夠提升製作效率及精準度。

什麼是二氧化鋯

牙齒的顏色相當複雜,每個人皆不相同,需要仔細比對鄰牙,才能做出逼真的假牙,郭光哲牙醫師說,過去的瓷牙需由人工上色,再進行燒結,現在有預染二氧化鋯,可先挑選顏色後再進行切削,不必再經由人工上色,亦具有螢光效果。若在安裝假牙時稍作修磨調整,也能維持假牙的顏色。

貼心小提醒

放任缺牙不處理,會在口內及口外衍生一系列的問題,諸如鄰牙位移、傾倒、顳顎關節障礙、影響咀嚼功能、導致外觀改變等。郭光哲牙醫師提醒,究竟該植牙或做牙橋,每個人的狀況不同,應該與牙醫師詳細討論,及早處理!

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