纳米级 DNA 追踪揭示有丝分裂染色体的自组织机制：解开遗传信息传递的关键谜题

《Cell》：Nanoscale DNA tracing reveals the self-organization mechanism of mitotic chromosomes

为探究基因组 DNA 在有丝分裂时如何折叠成杆状染色体，欧洲分子生物学实验室研究人员开展相关研究，发现其通过凝缩蛋白（condensin）挤出重叠环及自排斥形成，为理解遗传信息传递提供依据。

　　在细胞分裂的微观世界里，遗传信息的准确传递至关重要，而这一过程与有丝分裂中染色体的变化密切相关。当细胞准备分裂时，染色体需要从松散的状态转变为紧凑、有序的杆状结构，这一转变如同精密的分子舞蹈，确保遗传物质能够精确地分配到子细胞中。然而，长期以来，科学家们一直困惑于基因组 DNA 究竟是如何在有丝分裂期间折叠，形成这种特征性杆状染色体的，这一问题就像隐藏在细胞深处的神秘密码，等待被破解。

为了揭开这个谜团，欧洲分子生物学实验室（European Molecular Biology Laboratory）的研究人员踏上了探索之旅。他们深知，解答这个问题对于深入理解细胞分裂的基本过程、遗传信息的传递机制以及相关疾病的发生发展至关重要。经过不懈努力，他们的研究成果发表在顶尖学术期刊《Cell》上，为该领域带来了新的曙光。

在研究过程中，研究人员主要运用了纳米级 DNA 追踪技术（LoopTrace）和聚合物模拟这两种关键技术。通过设计针对特定染色体区域的 FISH 探针库，他们能够在单个分裂细胞中对基因组 DNA 进行多尺度追踪；同时，借助聚合物模拟，他们基于实验数据构建模型，探究染色体结构的形成机制。

研究人员首先进行了从间期到中期的多尺度 DNA 追踪。他们选择了人类染色体 2 和 14 作为研究对象，设计了不同分辨率的 FISH 探针库，对整个染色体、亚染色体区域进行追踪。结果发现，在有丝分裂过程中，染色体的结构发生了显著变化。间期时，染色体呈现出典型的椭球形区域，DNA 环结构与已知的拓扑相关结构域（TADs）相符；进入有丝分裂后，小环簇消失，取而代之的是可变位置且越来越多的回折 DNA 环，染色体逐渐个体化，最终在中期形成紧凑的杆状结构。通过对大量有丝分裂阶段单细胞的 3D 追踪数据进行分析，研究人员还发现，有丝分裂染色体的环数量和大小从前期开始显著增加，随后环的嵌套现象增多，这与凝缩蛋白 I 的结合时间相吻合，同时伴随着回转半径的减小，表明环尺度的压缩主要发生在前中期。

接着，研究人员对有丝分裂染色体的缩放特征进行研究。通过绘制不同基因组尺度下染色体 DNA 的成对欧几里得距离与基因组距离的关系图，他们发现有丝分裂染色体在 200kb 至 1Mb 尺度上表现出更高的压缩程度和更低的缩放指数，并且在 6 - 8Mb 处出现特征性的缩放 “低谷”，这表明染色质在该尺度下发生了更多的回折。这种缩放 “低谷” 在前期和中期尤为明显，且在全染色体尺度上也存在，是一种普遍的结构特征。

随后，研究人员探究了凝缩蛋白对有丝分裂染色体结构的影响。他们通过耗尽 HeLa Kyoto 细胞中的凝缩蛋白亚基 SMC4，发现凝缩蛋白的缺失导致单个有丝分裂环及其嵌套现象显著减少，染色体的特征性 6 - 8Mb 缩放 “低谷” 消失，染色体的整体压缩程度也受到影响，不再呈现典型的杆状结构。这表明凝缩蛋白对于有丝分裂染色体的结构形成至关重要。

为了进一步理解有丝分裂染色体的形成机制，研究人员构建了聚合物模型。他们基于实验数据，模拟了凝缩蛋白驱动的环挤出过程。结果发现，该模型能够很好地拟合实验数据，表明凝缩蛋白驱动的环挤出足以产生实验观察到的有丝分裂染色体折叠和整体形状。模拟还显示，凝缩蛋白 II 能够挤出平均 6 - 8Mb 的重叠环，这些环的大小和重叠性质直接解释了观察到的缩放最小值；而凝缩蛋白 I 则导致小环嵌套在大环内，增加了 DNA 密度和环的自排斥，从而使染色体杆状结构更加稳定。此外，模型还预测了凝缩蛋白 I 和 II 在染色体中的定位，与之前的实验结果相符。

最后，研究人员研究了染色质修饰对染色体结构的影响。他们以组蛋白去乙酰化酶抑制剂曲古抑菌素 A（TSA）处理细胞，模拟染色质修饰的变化。实验结果表明，TSA 处理导致染色质整体解压缩，但凝缩蛋白驱动的结构特征如环的丰度、大小和嵌套等并未改变，特征性的缩放 “低谷” 依然存在。这说明染色质修饰主要影响染色体的整体压缩程度，而不影响凝缩蛋白驱动的环组织。

综上所述，该研究通过纳米级 DNA 追踪技术和聚合物模拟，揭示了有丝分裂染色体的自组织机制。研究表明，凝缩蛋白驱动的环挤出和 DNA 的自排斥相互作用，是有丝分裂染色体形成特征性杆状结构的关键。这一研究成果为深入理解细胞分裂过程中遗传信息的传递提供了重要依据，也为相关疾病的研究提供了新的视角。未来，研究人员将继续探索在不同细胞类型和生理条件下，这一机制的普遍性和变化规律，进一步完善对有丝分裂染色体结构和功能的认识。