揭示染色體在細胞分裂后的自我重新組裝機制

　　在一項新的研究中，美國費城兒童醫院兒科血液學主任Gerd A. Blobel博士及其同事們發現了一種基本生物學過程---細胞核及其染色體物質在細胞分裂后如何自我重新組裝---的關鍵機制和結構細節。這些新的發現為人類健康和疾病提供了重要的新見解。相關研究結果近期發表在Nature期刊上，論文標題為“Chromatin structure dynamics during the mitosis-to-G1 phase transition”。

圖片來自Nature, 2019, doi:10.1038/s41586-019-1778-y。

　　Blobel說，“在有絲分裂期間，由于細胞分裂成兩個子細胞，幾乎所有基因都暫時關閉，染色質纖維（染色體物質）中的復雜結構被破壞了。有絲分裂后，這些子細胞忠實地重建每個細胞核中的這些復雜的染色質結構。”

　　Blobel說，盡管細胞周期至關重要，但是此前很少有科學家研究過染色質重建的機制。“在生物學中，基因組究竟是如何在細胞核中組裝的，這一直是一個懸而未決的問題。一個細胞的基因組中的所有DNA堿基，如果解開成一條直線，將延伸兩米。但是，這種遺傳物質被限制在每個細胞核內的一個小空間里，這就需要高度有組織的包裝。”

　　這些研究人員在來自一種成熟小鼠模型的造血細胞中進行了實驗。他們使用了復雜的稱為高通量染色體構象捕獲（high throughput chromosome conformation capture, Hi-C）的技術，該技術可以檢測染色體DNA中特定位點之間在三維空間中的相互作用，并構建這些相互作用的圖譜。這些圖譜還使得他們能夠在細胞周期的不同時間點測量這樣的相互作用。總體而言，這些工具在有絲分裂期間以及之后的子細胞核重建過程中檢測到大約20億次相互作用。

　　這項新的研究檢測到染色質中結構的形成：轉錄活性區室和轉錄沉默區室的出現和擴展；在基因組調節區域之間建立聯系；有助于塑造基因組的結構蛋白CTCF和黏連蛋白（cohesin）的變化。 Blobel說：“我們的發現描述了染色體在有絲分裂后自我重建的動態層次框架。”

　　除了描述細胞生物學中的關鍵過程外，這項新的研究還深入研究了Blobel所說的“染色質結構和基因轉錄之間的復雜相互作用”。轉錄，即DNA中編碼的信息轉移到RNA中，在有絲分裂期間暫時停止，但在有絲分裂之后會在子細胞中重新激活。由于破壞正常基因組結構或轉錄的基因突變可以在疾病中發揮關鍵作用，因此更好地了解染色質結構具有潛在的臨床重要性。

　　舉一個例子，費城兒童醫院和其他地方的研究人員已經研究了黏連蛋白病（cohesinopathies），即黏連蛋白中的缺陷會導致多系統遺傳疾病，比如多毛發育障礙綜合征（Cornelia deLange syndrome）。Blobel說：“染色質相關結構的異常與疾病有關，因此我們的研究的一個意義是應該從細胞周期的角度來研究影響染色質結構的疾病。”

　　總之，Blobel補充說：“這項新的研究為生物學中的一個關鍵過程---染色質在空間和時間上的組裝---的基本方面提供了重要見解。”