编辑推荐：
为解决有丝分裂染色体动力学时空特征不明的问题，研究人员开展了 “Supra - second tracking and live - cell karyotyping reveal principles of mitotic chromosome dynamics” 主题研究。利用 FAST CHIMP 技术，发现染色体运动受中心体运动依赖的流场支配等结果，为染色质行为研究增添动态维度。
在细胞的生命历程中，有丝分裂阶段染色体的动态变化对于基因组的三维组织至关重要。然而，当前研究面临诸多挑战。传统的 Hi - C 方法虽能捕捉染色体间的接触，但缺乏单细胞的时间动态信息；显微镜技术又受限于漂白和光毒性问题，难以清晰呈现染色体在细胞内的运动轨迹和相互作用的时空变化，这使得有丝分裂染色体动力学的时空特征一直模糊不清。正因如此，开展相关研究以突破这些困境就显得尤为重要。
保加利亚科学院分子生物学研究所的研究人员针对上述问题展开研究，论文发表在《Nature Cell Biology》上。该研究成果意义重大，为深入理解染色体动力学在正常生理和疾病状态下的机制提供了新视角。
研究人员采用了多种关键技术方法。在成像方面，运用快速且温和的 Airyscan 超分辨率显微镜，结合深度学习方法进行去噪、分割和配准。通过构建不同细胞系（如 HeLa - Kyoto、U2OS、hTERT - RPE - 1 等），并对细胞进行荧光标记，实现对染色体的可视化。同时，利用内容感知图像恢复（CARE）工具、监督嵌入实例分割（Embedseg）和无监督深度学习框架 Voxelmorph 等技术，完成对染色体从前期到末期的完整追踪 。
下面介绍具体的研究结果：
- 内容感知图像恢复用于快速有丝分裂成像：研究人员选用表达 mCherry 标记的组蛋白 H2B 的 HeLa - Kyoto 细胞系，利用 Airyscan SR - 4Y 显微镜成像。通过降低 O2浓度至 4%，减少光漂白和光毒性，但信噪比和光毒性之间仍存在权衡。为此，借助 CARE 工具，对不同有丝分裂阶段的低分辨率和高分辨率 3D 图像堆栈进行训练，使信噪比提高五倍，成功在低激发功率下获得高时空分辨率的图像，且细胞能正常分裂。
- 有丝分裂染色体的自动分割和追踪：手动分割 323 帧图像训练 Embedseg 模型，实现染色体的自动分割，其质量与手动分割相当。使用 Voxelmorph 框架和 Elastix 软件进行图像配准，追踪分割后的染色体，并通过自定义软件进行错误分析和校正，最终形成 FAST CHIMP（Facilitated Segmentation and Tracking of Chromosomes in Mitosis Pipeline）流程。
- 在近二倍体细胞中识别染色体：在永生二倍体 hTERT - RPE - 1 细胞系中，研究人员追踪所有染色体，通过测量染色体长度和着丝粒位置，绘制长度 - 着丝粒位置图，成功识别出大多数染色体，包括含有易位的异常 X 染色体，证明 FAST CHIMP 可在活细胞中进行核型分析和识别异常染色体。同时，研究发现同源染色体之间的距离分布与随机分布无显著差异，即同源染色体既不聚集也不相互排斥。
- 前中期染色体在可预测的流场中移动：分析 RPE - 1 细胞中染色体从前期到后期的轨迹，发现染色体运动呈现出一种有丝分裂流场模式，由两个反平行的涡旋组成。这种模式表明中期板的形成既不是染色体的完全随机运动，也不是前期和中期位置的一一对应映射，而是一种可预测的重排。通过实验观察到中心体运动与染色体运动相关，推测中期板形成可能依赖于中心体运动产生的细胞质流。
- 测量染色体内和染色体间的距离：借助 8 秒分辨率的分割染色体数据，研究人员拟合样条曲线，可视化染色体内和染色体间的距离。该方法能在单细胞中随时间观察染色体接触，并区分同源染色体，克服了传统 Hi - C 方法的局限。研究发现同源染色体的折叠方式存在差异，且随着有丝分裂的进行，染色体内和染色体间的距离发生显著变化。
- 单个染色体的凝聚动力学：测量 hTERT - RPE - 1 细胞中单个染色体从前期到中期的凝聚情况，发现不同染色体的凝聚是同步的，且在后期出现荧光强度下降的现象，这可能是由于染色体拉伸导致的短暂松弛，并非典型的凝缩蛋白依赖过程。
- 比较母细胞和子细胞中染色体的位置：对 HeLa - Kyoto 细胞及其两个子细胞进行成像和染色体追踪，通过测量染色体长度和着丝粒位置，识别出七个染色体并分为三个同源组。研究发现子细胞中染色体的位置模式相似，而母细胞和子细胞之间存在显著差异，同时核旋转会影响姐妹细胞中染色体位置的对应关系。
- 追踪后期桥：通过增加激光功率诱导 hTERT - RPE - 1 细胞形成后期桥，利用 FAST CHIMP 追踪所有染色体，发现了五个后期桥，并观察到异常染色体在后期显著延长，这对于理解肿瘤发生机制具有重要意义。
研究结论和讨论部分指出，研究人员成功利用超分辨率显微镜和深度学习技术，在单细胞中高时空分辨率地解析了所有染色体，引入的 FAST CHIMP 工具可在近二倍体活细胞中识别大多数染色体。通过研究发现有丝分裂染色体的运动遵循与中心体运动相关的流场，这解释了染色体位置在有丝分裂前后的变化。此外，FAST CHIMP 可用于追踪已知的染色体重排，测量染色体内和染色体间的接触，且具有可扩展性，为研究染色体动力学提供了有力的工具。尽管该技术存在需要高频率超分辨率成像等局限性，但仍有望在染色质研究中得到广泛应用，推动对正常生理和疾病状态下染色体动力学的深入理解。
