《Cell》新染色质示踪方法

Nanoscale DNA tracing reveals the self-organization mechanism of mitotic chromosomes.

　　

在生命的诸多奇迹中，细胞的分裂能力是其中之一，细胞的分裂能力使生物体得以生长和自我更新。为此，细胞必须复制它的DNA——它的基因组——并将其平等地分离成两个新的子细胞。为了在细胞分裂时将人类细胞的46条染色体运输到子细胞中，每条染色体形成一个紧凑的X形结构，有两个棒状副本。细胞是如何实现这一壮举的仍不得而知。

现在，EMBL科学家第一次使用一种新的染色质追踪方法在显微镜下以高分辨率直接观察到这一过程。这项新的研究表明，在细胞分裂过程中，每条染色体的长DNA分子形成了一系列相互排斥的重叠环。由于这种排斥，DNA环然后堆叠形成棒状染色体。

高分辨率追踪染色体DNA

长期以来，科学家们一直假设DNA环在构建和维持染色体结构中的重要性。缩凝蛋白是一种大型蛋白质复合物，在细胞分裂过程中结合DNA，并将其挤出形成不同大小的环。EMBL先前的研究已经阐明了这一过程的结构机制，以及它们在将染色体打包成易于在细胞间移动的形式方面的重要作用。

事实上，凝缩蛋白结构的突变可导致严重的染色体分离缺陷，并导致细胞死亡、癌症形成或称为“凝缩蛋白病”的罕见发育障碍。EMBL海德堡大学Ellenberg课题组的博士后、这篇新论文的主要作者Andreas Brunner说：“然而，观察这种循环过程如何在细胞尺度上发生并有助于染色体结构是具有挑战性的。这是因为以高分辨率可视化DNA的方法通常在化学上很苛刻，并且需要高温，这些都破坏了DNA的天然结构。”

Ellenberg课题组的前博士后Kai Beckwith，目前是挪威科技大学（NTNU）的副教授——着手解决这个问题。Beckwith和他的同事们使用了一种方法，在细胞分裂的不同阶段，轻轻地移除细胞中的一条DNA链，保持染色体结构的完整。然后，他们可以使用一组靶向DNA结合标签来观察这条未发现的DNA链的纳米级组织。这项技术被称为LoopTrace，它帮助研究人员直接观察分裂细胞中的DNA，因为它逐渐形成环路和折叠。

“安德里亚斯和我现在能够可视化染色体的结构，因为它们开始改变形状，”Beckwith说。“这对于理解DNA是如何被凝聚蛋白复合物折叠的至关重要。”

循环中的循环

从他们的数据中，科学家们意识到，在细胞分裂过程中，DNA形成环分两个阶段。首先，它形成稳定的大循环，然后再细分成更小的、寿命较短的嵌套循环，在每个阶段增加压缩。两种类型的凝缩蛋白复合物使这一过程成为可能。

为了理解这种循环最终是如何产生杆状染色体的，研究人员基于两个简单的假设建立了一个计算模型。首先，正如观察到的那样，DNA在凝聚蛋白的帮助下形成了重叠的环状结构——先是大的，然后是小的。其次，由于它们的结构和DNA的化学性质，这些环相互排斥。当科学家们将这两个假设输入到他们的模型中时，他们发现这足以产生棒状的染色体结构。

Beckwith说：“我们意识到这些凝缩驱动的环比以前想象的要大得多，而且这些大环在很大程度上重叠是非常重要的。只有这些特征使我们能够在我们的模型中概括有丝分裂染色体的天然结构，并了解它们在细胞分裂过程中如何分离。”

在未来，研究人员计划更详细地研究这一过程，特别是了解诸如分子调节剂等其他因素如何影响这种压实过程。2024年，Jan Ellenberg和他的团队获得了ERC高级资助的310万欧元，用于研究细胞分裂期间和之后染色体的折叠原理。

海德堡EMBL的高级科学家Jan Ellenberg说：“我们在杂志《Cell》上发表的最新论文标志着我们对细胞如何能够将染色体打包成子细胞的理解的一个里程碑。这将是了解重新调整基因组以实现忠实遗传的分子机制的基础，从而合理预测如何在未来预防这一过程中导致人类疾病的错误。”

与此同时，由Andreas Brunner领导的Ellenberg团队最近发表在《Journal of Cell Biology》上的第二项研究表明，嵌套环机制是细胞生物学的基础，并且在细胞生长阶段与另一种DNA环形成的蛋白质复合物（称为内聚素）一起继续存在。

Ellenberg说：“我们惊讶地发现，序列和分层DNA环形成的相同核心原理，要么用于在分裂成安全可移动的实体期间紧密包装染色体，要么用于在分裂后解开染色体以读出它们包含的信息。最后，微小但关键的机制差异，例如内聚蛋白驱动环的非重叠性质与强烈重叠的凝缩蛋白驱动环相比，可能足以解释我们在显微镜下看到的间期和有丝分裂时基因组形状的巨大差异。”