1953 年，人類首次發(fā)現(xiàn) DNA 的雙螺旋結(jié)構(gòu)，更為清晰地認識到遺傳信息構(gòu)成和傳遞途徑，讓遺傳研究深入到分子層面，由此揭開分子生物學新篇章。

人類基因組的 60 億堿基對如何折疊進僅 10 微米的細胞核內(nèi)？基因的折疊如何控制其表達以及影響疾病發(fā)展？復雜的生物功能是如何從基因組的物理特性和化學成分中產(chǎn)生？人類細胞如何發(fā)育出高度特化的功能以及隨年齡增長而退化？

為了探索這些問題，斯坦福大學神經(jīng)生物學系助理教授譚隆志聚焦在一種全新分子機制的研究 —— 三維基因組結(jié)構(gòu)。讀博期間，他便開發(fā)出了多種單細胞基因組學方法及算法：通過開發(fā)的 Dip-C 首次解出人類基因組的三維結(jié)構(gòu)；共同開發(fā) LIANTI 并首次實現(xiàn)全基因組線性擴增、觀測 DNA 復制和紫外線突變；共同開發(fā) META-CS 并首次準確揭示單個人類體細胞中的突變……

憑借對解析三維基因組結(jié)構(gòu)新技術(shù)的開發(fā)以及取得的新發(fā)現(xiàn)，譚隆志成為 2022 年度 《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 中國入選者之一。

圖｜2022 年度《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”中國入選者譚隆志

譚隆志于 2008 年進入北京大學，而后赴麻省理工學院物理系就讀，并于 2012 年獲得物理學位/生物輔修。2018 年，他獲得哈佛大學系統(tǒng)生物學博士學位，隨后進入斯坦福大學從事博士后研究。2022年 12 月，譚隆志開始在斯坦福大學神經(jīng)生物學系擔任助理教授。

開發(fā) Dip-C 并首次解析出人類基因組三維結(jié)構(gòu)

譚隆志是生物物理學出身，擁有 13 年的跨學科研究經(jīng)歷。“在麻省理工學院讀本科時，我就對生物進化過程中 DNA 序列和功能之間的關(guān)系產(chǎn)生了興趣，并首次在實驗上證明基因組距離越遠，進化就越不可逆?！彼榻B說。

2003 年 4 月，“人類基因組計劃”完成了人基因組常染色體的大規(guī)模測序工作?！叭祟惢蚪M計劃成功解析出了基因組的一維線性序列，而這一DNA 序列有著獨特的空間結(jié)構(gòu)?！弊T隆志指出，“從 19 世紀 80 年代開始科學界一直想要解析基因組的三維結(jié)構(gòu)，但受限于技術(shù)，這個科學難題始終懸而未決?！?/span>

圖｜大腦細胞中關(guān)鍵基因的高清三維結(jié)構(gòu)（來源：Cell）

以人類為例，細胞中的 46 條染色體平分為兩套，每套中的 23 條染色體分別來源于父母，且兩套染色體序列高度相似，差異小于 0.1%，采用先前的技術(shù)難以進行區(qū)分?！捌鋵嵨覀兤鸪醪⒉皇菫榱藢ｉT開發(fā)新技術(shù)，而是想要解決一些生物領(lǐng)域難題，解題過程中自然而然需要打破壁壘去開發(fā)新的技術(shù)?！彼f道。

圍繞嗅覺系統(tǒng)，他們發(fā)現(xiàn)三維基因組結(jié)構(gòu)對于研究嗅覺系統(tǒng)發(fā)育至關(guān)重要，而傳統(tǒng)方法無法解析三維結(jié)構(gòu)，所以他們從零開始著手開發(fā)一個具有更高靈敏度的新技術(shù)，能夠測量出每個細胞中只有數(shù)皮克的 DNA，同時也開發(fā)新的算法，能夠區(qū)分來自父母的兩套 23 條染色體。

“結(jié)合實驗手段和分析技術(shù)，最終我們開發(fā)出了二倍體染色質(zhì)構(gòu)象捕獲技術(shù)（diploid chromatin conformation capture，Dip-C）?！弊T隆志說道，“借助 Dip-C 技術(shù)，我們首次解析出了人類基因組的三維結(jié)構(gòu)，并且在小鼠的各種組織里解析出了各異的三維基因組結(jié)構(gòu)。除此之外，在人類血液中，通過 Dip-C 技術(shù)解析出三維基因組結(jié)構(gòu)還能夠推斷細胞的功能，比如分辨 B 細胞與 T 細胞，即通過三維基因組結(jié)構(gòu)還可以對細胞進行分型，這是一個前所未有的新發(fā)現(xiàn)。”他指出。

圖｜探索正在發(fā)育的小鼠大腦皮層和海馬體細胞的轉(zhuǎn)錄組及三維基因組結(jié)構(gòu)（來源：Cell）

對于 Dip-C 的技術(shù)優(yōu)勢，譚隆志總結(jié)了三個方面：“首先，Dip-C 通過測量單細胞來解析三維基因組結(jié)構(gòu)，揭示每個細胞獨一無二的特性；其次，它完全基于生化反應實現(xiàn)了約 100 納米的高分辨率，而無需借助光學顯微鏡等特殊昂貴的大型設(shè)備，并且生化反應效率較高，能夠確保全基因組大部分 DNA 都能檢測到；第三，解析速度較快，一天可以完成數(shù)百個乃至上千個細胞，同時解析操作容易上手，成本低廉，易于推廣。”他介紹道。

談及解析三維基因組結(jié)構(gòu)的意義，在譚隆志看來，“人類有兩萬多個基因編碼蛋白質(zhì)，這些基因在細胞中并不是簡簡單單一條直線，而是具有很復雜的空間結(jié)構(gòu)。利用我們發(fā)現(xiàn)的人類三維基因組的基本原理，可以通過精準三維操縱基因組和治療性 DNA 載體、激活特定細胞類型，來設(shè)計基于三維基因組學的新一代復雜精神疾病的新療法，對于精準醫(yī)療具有重要意義。此外，我們還計劃將開發(fā)的多基因組學工具廣泛應用于大腦之外的生物醫(yī)學領(lǐng)域，比如癌癥生物學和免疫學?！彼f道。

成立實驗室計劃構(gòu)建“三維基因組版 AlphaFold”

2022 年 12 月，譚隆志在斯坦福大學建立了獨立實驗室，專注于開發(fā)跨越基因組學、神經(jīng)科學、生物化學和計算機科學領(lǐng)域的新一代單細胞多組學工具，并通過這些工具測量和操控大腦中的單細胞三維基因組結(jié)構(gòu)。

“未來我們還將繼續(xù)開發(fā)新的方法和技術(shù)，同時利用這些新技術(shù)來探究大腦的變化，相信我們的研究將解開三維基因組調(diào)控的‘黑匣子’之謎，并提供廣泛適用于各種生物醫(yī)學領(lǐng)域的新工具。”譚隆志說道。

在他看來，“目前 Dip-C 主要用來解析基因組三維結(jié)構(gòu)，但它也是一種更能廣泛應用的新范式，作為一種‘生化顯微鏡’通過生化反應和生物信息學來倒推出 DNA 結(jié)構(gòu)，這種方式突破了光學分辨率的限制且效果優(yōu)于傳統(tǒng)光學顯微鏡。此外，Dip-C 技術(shù)還可以推廣到蛋白、RNA 等其他分子的三維結(jié)構(gòu)解析，未來我們希望能夠把 Dip-C 技術(shù)從基因組學推廣到其他組學?！彼硎尽?/span>

比如，未來或許可以通過將大腦組織浸入特制的反應液中，再進行測序，然后從獲得的數(shù)據(jù)中即可反推出大腦每個細胞、蛋白、DNA、RNA 等在三維空間的位置以及它們相互之間的關(guān)聯(lián)?！敖柚?Dip-C 這種‘生化顯微鏡’，我們可以研究在發(fā)育和退行性疾病中患者大腦的差異所在，探索不同疾病的多組學變化，進而指導開發(fā)基于基因組以及多組學的創(chuàng)新療法?！彼f道。

現(xiàn)階段，譚隆志實驗室開始關(guān)注小腦方面的研究?！靶∧X雖然只占整個大腦約 10% 的體積，但是卻包含了約 80% 的神經(jīng)元細胞，然而圍繞小腦基因組方面，業(yè)內(nèi)先前的相關(guān)研究并不多?！彼硎荆拔覀儼l(fā)現(xiàn)不論是人還是小鼠，從出生到衰老的過程中，小腦基因組的三維結(jié)構(gòu)都有著翻天覆地的變化，而且包括自閉癥、精神分裂癥、唐氏綜合癥，以及阿爾茨海默病等很多疾病都與小腦存在關(guān)聯(lián)?！?/span>

“我們的研究對象以腦細胞為主，同時我們也非常期待能夠和其他實驗室合作，將 Dip-C 技術(shù)拓展到更多細胞類型?！弊T隆志說道。據(jù)介紹，曾有實驗室利用他們開發(fā)的算法首次解析出了早期胚胎的單細胞結(jié)構(gòu)；還有實驗室采用 Dip-C 技術(shù)解析腫瘤細胞的三維基因組結(jié)構(gòu)。“腫瘤細胞的基因組，不但三維結(jié)構(gòu)不同，一維序列也不同，因此我們未來的研究方向之一是開發(fā)新的算法探索三維結(jié)構(gòu)和一維序列聯(lián)合導致細胞癌變的機制?！彼硎?。

（來源：Pixabay）

產(chǎn)業(yè)化層面，在譚隆志看來，對于三維基因組結(jié)構(gòu)的研究具有廣闊的應用轉(zhuǎn)化前景。“除了我們聚焦的大腦神經(jīng)元細胞，所有細胞都有三維基因組結(jié)構(gòu)，因此這對于其他包括免疫、腫瘤等不同生物學領(lǐng)域都有價值。”他說道，“其實很多疾病與三維基因組結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，但現(xiàn)階段缺乏能夠測量和操控三維基因組的技術(shù)工具，我們未來開發(fā)的技術(shù)希望能夠在三維空間中精準地恢復基因組的正常結(jié)構(gòu)，以此來治療相關(guān)疾病?！?/span>

據(jù)介紹，以自閉癥為例，目前已知的約 100 個自閉癥相關(guān)基因中有一半涉及基因組結(jié)構(gòu)和基因表達，他們通過研究人類基因組在正常發(fā)育過程中如何進行三維重組，以及這一過程在疾病中又如何被破壞，有望帶來利用表觀基因組作為生物標志物的早期診斷方法，以及利用精確三維操控表觀基因組的創(chuàng)新療法。

圍繞基因療法開發(fā)，“我們希望設(shè)計出用于治療的 DNA 使其只在特定的細胞中才能折疊出正確結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生需要表達的蛋白，如此一來將會使基因療法變得更精準，更有效，這也是我們在轉(zhuǎn)化方面的研究方向之一?！彼硎荆拔覀兊目鐚W科研究將有助于構(gòu)建“三維基因組版 AlphaFold”，從而更好地理解和設(shè)計人類基因組，開發(fā)新療法，他也堅信，研究基因組的生物物理學將為人類帶來對基礎(chǔ)生物學和疾病治療的前所未有的見解。”

值得一提的是，譚隆志目前正計劃每年夏季在國內(nèi)開設(shè)一個暑期學校?！澳康氖亲寔碜匀澜绺鞯氐膶W生能夠?qū)W會如何測量三維基因組結(jié)構(gòu)，希望通過這一舉措能讓更多人學會這項全新的技術(shù)，掌握這種前沿的試驗方法?！彼f道。

參考資料：

1. https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.12.032

2. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aat5641

3. https://doi.org/10.1038/s41594-019-0205-2