为了成功的细胞分裂，染色体DNA需要被打包成紧凑的棒状结构。这个过程中的缺陷可能导致细胞死亡或癌症等疾病。一项新的研究显示了染色体在细胞分裂过程中如何改变形状。某些蛋白质复合体帮助DNA折叠成相互排斥的重叠环，然后堆叠形成棒状结构。这是科学家首次在分裂细胞中以高分辨率直接观察到整个染色体，为了解染色体的形成提供了新的见解。
生命的众多奇迹之一是细胞能够分裂，从而使生物体生长和自我更新。为此，细胞必须复制其DNA——其基因组——并将其平均分配到两个新的子细胞中。在细胞分裂过程中，为了准备46条人类细胞的染色体，每条染色体形成一个紧凑的X形结构，有两个棒状副本。细胞如何实现这一壮举仍然在很大程度上未知。
现在，EMBL的科学家们首次通过新的染色质追踪方法在显微镜下高分辨率直接观察了这一过程。这项新研究表明，每条染色体的长DNA分子在细胞分裂过程中形成了一系列相互排斥的重叠环。由于这种排斥，DNA环最终堆叠成棒状染色体。
高分辨率追踪染色体DNA
科学家们长期以来假设DNA环在建立和维持染色体结构中的重要性。凝缩体于1990年代首次被识别，是大型蛋白质复合体，在细胞分裂过程中结合DNA并挤出以形成不同大小的环。EMBL的先前研究揭示了该过程的结构力学及其在将染色体打包成易于在细胞间转移的形式中的重要作用。
事实上，凝缩体结构的突变可能导致严重的染色体分离缺陷，从而导致细胞死亡、癌症形成或称为“凝缩病”的罕见发育障碍。
“然而，观察这一环化过程如何在细胞水平上发生，并对染色体结构的贡献是具有挑战性的，”EMBL海德堡的Ellenberg小组的博士后Andreas Brunner表示，也是新论文的主要作者。“这是因为高分辨率观察DNA的方法通常化学性很强且需要高温，因此会破坏DNA的本征结构。”
Kai Beckwith——Ellenberg小组的前博士后，现在是挪威科技大学（NTNU）的副教授——着手解决这个问题。Beckwith和同事们使用一种方法温和地去除细胞在细胞分裂不同阶段的一个DNA链，同时保持染色体结构的完整。然后，他们可以使用靶向的DNA结合标签观察这些暴露DNA链的纳米级组织。这种技术称为LoopTrace，帮助研究人员直接观察到分裂细胞中DNA逐渐形成环和折叠。
“Andreas和我现在能够可视化染色体的结构，观察它们开始改变形状，”Beckwith说。“这对于理解DNA如何被凝缩体复合物折叠是至关重要的。”
环中有环
从他们的数据中，科学家们意识到在细胞分裂过程中，DNA在两个阶段形成环。首先，形成稳定的大环，然后再细分成较小的、短暂存在的嵌套环，在每个阶段增加紧凑度。两种类型的凝缩体蛋白复合体促成了这一过程。
为了理解这一环化过程如何最终形成棒状染色体，研究人员基于两个简单的假设构建了一个计算模型。首先，正如观察到的，DNA在凝缩体的帮助下形成重叠的环——首先是大环，然后是小环。其次，由于其结构和DNA的化学性质，这些环相互排斥。当科学家将这两个假设输入他们的模型时，他们发现这足以形成棒状染色体结构。
“我们意识到这些由凝缩体驱动的环比之前认为的要大得多，且大环之间重叠的程度非常重要，”Beckwith说。“只有这些特征使我们能够在模型中重现有丝分裂染色体的本征结构，并理解它们如何在细胞分裂期间被分离。”
未来，研究人员计划更详细地研究这一过程，特别是理解诸如分子调节因子等附加因素如何影响这一紧缩过程。在2024年，Jan Ellenberg及其团队获得310万欧元的资助作为ERC高级资助，用于研究细胞分裂期间及之后的染色体折叠原理。
“我们最新发表在科学期刊《Cell》上的论文标志着我们对细胞如何打包染色体以实现其准确分离到子细胞的理解的一个里程碑，”EMBL海德堡的高级科学家Jan Ellenberg说。“这将为理解基因组如何进行合理缩放以实现可靠的遗传奠定基础，从而合理预判这一过程中潜在的错误给人类疾病带来的影响如何可以在未来得到预防。”
与此同时，Ellenberg团队的一项第二项研究，由Andreas Brunner领导，并最近发表在《细胞生物学杂志》上，显示嵌套环机制是细胞生物学的基础，并在细胞的生长阶段期间继续与另一系列形成DNA环的蛋白复合体，称为粘合蛋白。
“我们感到惊讶的是，序列和层次DNA环形成的相同核心原理被用于在细胞分裂时将染色体紧密打包为安全可移动的实体，或在之后解开它们以读取其中包含的信息，”Ellenberg说。“最终，小而关键的机制差异，例如与高度重叠的凝缩体驱动环相比，粘合蛋白驱动环的不重叠特征，可能足以解释我们在显微镜下观察到的基因组在间期和有丝分裂中所呈现的形状的巨大差异。”
