摘要：研究人員發(fā)現(xiàn)通過凝縮蛋白擠出重疊環(huán)及自排斥形成，為理解遺傳信息傳遞提供依據(jù)。

在細(xì)胞分裂的微觀世界里，遺傳信息的準(zhǔn)確傳遞至關(guān)重要，而這一過程與有絲分裂中染色體的變化密切相關(guān)。當(dāng)細(xì)胞準(zhǔn)備分裂時，染色體需要從松散的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫o湊、有序的桿狀結(jié)構(gòu)，這一轉(zhuǎn)變?nèi)缤艿姆肿游璧福_保遺傳物質(zhì)能夠精確地分配到子細(xì)胞中。然而，長期以來，科學(xué)家們一直困惑于基因組 DNA 究竟是如何在有絲分裂期間折疊，形成這種特征性桿狀染色體的，這一問題就像隱藏在細(xì)胞深處的神秘密碼，等待被破解。

為了揭開這個謎團(tuán)，歐洲分子生物學(xué)實驗室（European Molecular Biology Laboratory）的研究人員踏上了探索之旅。他們深知，解答這個問題對于深入理解細(xì)胞分裂的基本過程、遺傳信息的傳遞機(jī)制以及相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展至關(guān)重要。經(jīng)過不懈努力，他們的研究成果發(fā)表在頂尖學(xué)術(shù)期刊《Cell》上，為該領(lǐng)域帶來了新的曙光。

在研究過程中，研究人員主要運(yùn)用了納米級 DNA 追蹤技術(shù)（LoopTrace）和聚合物模擬這兩種關(guān)鍵技術(shù)。通過設(shè)計針對特定染色體區(qū)域的 FISH 探針庫，他們能夠在單個分裂細(xì)胞中對基因組 DNA 進(jìn)行多尺度追蹤；同時，借助聚合物模擬，他們基于實驗數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，探究染色體結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制。

研究人員首先進(jìn)行了從間期到中期的多尺度 DNA 追蹤。他們選擇了人類染色體 2 和 14 作為研究對象，設(shè)計了不同分辨率的 FISH 探針庫，對整個染色體、亞染色體區(qū)域進(jìn)行追蹤。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在有絲分裂過程中，染色體的結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。間期時，染色體呈現(xiàn)出典型的橢球形區(qū)域，DNA 環(huán)結(jié)構(gòu)與已知的拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域（TADs）相符；進(jìn)入有絲分裂后，小環(huán)簇消失，取而代之的是可變位置且越來越多的回折 DNA 環(huán)，染色體逐漸個體化，最終在中期形成緊湊的桿狀結(jié)構(gòu)。通過對大量有絲分裂階段單細(xì)胞的 3D 追蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究人員還發(fā)現(xiàn)，有絲分裂染色體的環(huán)數(shù)量和大小從前期開始顯著增加，隨后環(huán)的嵌套現(xiàn)象增多，這與凝縮蛋白 I 的結(jié)合時間相吻合，同時伴隨著回轉(zhuǎn)半徑的減小，表明環(huán)尺度的壓縮主要發(fā)生在前中期。

接著，研究人員對有絲分裂染色體的縮放特征進(jìn)行研究。通過繪制不同基因組尺度下染色體 DNA 的成對歐幾里得距離與基因組距離的關(guān)系圖，他們發(fā)現(xiàn)有絲分裂染色體在 200kb 至 1Mb 尺度上表現(xiàn)出更高的壓縮程度和更低的縮放指數(shù)，并且在 6 - 8Mb 處出現(xiàn)特征性的縮放 “低谷”，這表明染色質(zhì)在該尺度下發(fā)生了更多的回折。這種縮放 “低谷” 在前期和中期尤為明顯，且在全染色體尺度上也存在，是一種普遍的結(jié)構(gòu)特征。

圖2 從間期到中期的多尺度DNA追蹤

隨后，研究人員探究了凝縮蛋白對有絲分裂染色體結(jié)構(gòu)的影響。他們通過耗盡 HeLa Kyoto 細(xì)胞中的凝縮蛋白亞基 SMC4，發(fā)現(xiàn)凝縮蛋白的缺失導(dǎo)致單個有絲分裂環(huán)及其嵌套現(xiàn)象顯著減少，染色體的特征性 6 - 8Mb 縮放 “低谷” 消失，染色體的整體壓縮程度也受到影響，不再呈現(xiàn)典型的桿狀結(jié)構(gòu)。這表明凝縮蛋白對于有絲分裂染色體的結(jié)構(gòu)形成至關(guān)重要。

為了進(jìn)一步理解有絲分裂染色體的形成機(jī)制，研究人員構(gòu)建了聚合物模型。他們基于實驗數(shù)據(jù)，模擬了凝縮蛋白驅(qū)動的環(huán)擠出過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該模型能夠很好地擬合實驗數(shù)據(jù)，表明凝縮蛋白驅(qū)動的環(huán)擠出足以產(chǎn)生實驗觀察到的有絲分裂染色體折疊和整體形狀。模擬還顯示，凝縮蛋白 II 能夠擠出平均 6 - 8Mb 的重疊環(huán)，這些環(huán)的大小和重疊性質(zhì)直接解釋了觀察到的縮放最小值；而凝縮蛋白 I 則導(dǎo)致小環(huán)嵌套在大環(huán)內(nèi)，增加了 DNA 密度和環(huán)的自排斥，從而使染色體桿狀結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。此外，模型還預(yù)測了凝縮蛋白 I 和 II 在染色體中的定位，與之前的實驗結(jié)果相符。

最后，研究人員研究了染色質(zhì)修飾對染色體結(jié)構(gòu)的影響。他們以組蛋白去乙酰化酶抑制劑曲古抑菌素 A（TSA）處理細(xì)胞，模擬染色質(zhì)修飾的變化。實驗結(jié)果表明，TSA 處理導(dǎo)致染色質(zhì)整體解壓縮，但凝縮蛋白驅(qū)動的結(jié)構(gòu)特征如環(huán)的豐度、大小和嵌套等并未改變，特征性的縮放 “低谷” 依然存在。這說明染色質(zhì)修飾主要影響染色體的整體壓縮程度，而不影響凝縮蛋白驅(qū)動的環(huán)組織。

綜上所述，該研究通過納米級 DNA 追蹤技術(shù)和聚合物模擬，揭示了有絲分裂染色體的自組織機(jī)制。研究表明，凝縮蛋白驅(qū)動的環(huán)擠出和 DNA 的自排斥相互作用，是有絲分裂染色體形成特征性桿狀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。這一研究成果為深入理解細(xì)胞分裂過程中遺傳信息的傳遞提供了重要依據(jù)，也為相關(guān)疾病的研究提供了新的視角。未來，研究人員將繼續(xù)探索在不同細(xì)胞類型和生理條件下，這一機(jī)制的普遍性和變化規(guī)律，進(jìn)一步完善對有絲分裂染色體結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識。

[1] Nanoscale DNA tracing reveals the self-organization mechanism of mitotic chromosomes