Nature：新研究详细揭示染色体在细胞分裂后的自我重新组装机制
来源：本站原创 2019-12-24 11:17
2019年12月24日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，美国费城儿童医院儿科血液学主任Gerd A. Blobel博士及其同事们发现了一种基本生物学过程---细胞核及其染色体物质在细胞分裂后如何自我重新组装---的关键机制和结构细节。
2019年12月24日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，美国费城儿童医院儿科血液学主任Gerd A. Blobel博士及其同事们发现了一种基本生物学过程---细胞核及其染色体物质在细胞分裂后如何自我重新组装---的关键机制和结构细节。这些新的发现为人类健康和疾病提供了重要的新见解。相关研究结果近期发表在Nature期刊上，论文标题为“Chromatin structure dynamics during the mitosis-to-G1 phase transition”。
Blobel说，“在有丝分裂期间，由于细胞分裂成两个子细胞，几乎所有基因都暂时关闭，染色质纤维（染色体物质）中的复杂结构被破坏了。有丝分裂后，这些子细胞忠实地重建每个细胞核中的这些复杂的染色质结构。”
Blobel说，尽管细胞周期至关重要，但是此前很少有科学家研究过染色质重建的机制。“在生物学中，基因组究竟是如何在细胞核中组装的，这一直是一个悬而未决的问题。一个细胞的基因组中的所有DNA碱基，如果解开成一条直线，将延伸两米。但是，这种遗传物质被限制在每个细胞核内的一个小空间里，这就需要高度有组织的包装。”
这些研究人员在来自一种成熟小鼠模型的造血细胞中进行了实验。他们使用了复杂的称为高通量染色体构象捕获（high throughput chromosome conformation capture, Hi-C）的技术，该技术可以检测染色体DNA中特定位点之间在三维空间中的相互作用，并构建这些相互作用的图谱。这些图谱还使得他们能够在细胞周期的不同时间点测量这样的相互作用。总体而言，这些工具在有丝分裂期间以及之后的子细胞核重建过程中检测到大约20亿次相互作用。
这项新的研究检测到染色质中结构的形成：转录活性区室和转录沉默区室的出现和扩展；在基因组调节区域之间建立联系；有助于塑造基因组的结构蛋白CTCF和黏连蛋白（cohesin）的变化。 Blobel说：“我们的发现描述了染色体在有丝分裂后自我重建的动态层次框架。”
除了描述细胞生物学中的关键过程外，这项新的研究还深入研究了Blobel所说的“染色质结构和基因转录之间的复杂相互作用”。转录，即DNA中编码的信息转移到RNA中，在有丝分裂期间暂时停止，但在有丝分裂之后会在子细胞中重新激活。由于破坏正常基因组结构或转录的基因突变可以在疾病中发挥关键作用，因此更好地了解染色质结构具有潜在的临床重要性。
举一个例子，费城儿童医院和其他地方的研究人员已经研究了黏连蛋白病（cohesinopathies），即黏连蛋白中的缺陷会导致多系统遗传疾病，比如多毛发育障碍综合征（Cornelia deLange syndrome）。Blobel说：“染色质相关结构的异常与疾病有关，因此我们的研究的一个意义是应该从细胞周期的角度来研究影响染色质结构的疾病。”
总之，Blobel补充说：“这项新的研究为生物学中的一个关键过程---染色质在空间和时间上的组装---的基本方面提供了重要见解。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Haoyue Zhang et al. Chromatin structure dynamics during the mitosis-to-G1 phase transition. Nature, 2019, doi:10.1038/s41586-019-1778-y.
2.Scientists detail how chromosomes reorganize after cell division
https://phys.org/news/2019-12-scientists-chromosomes-cell-division.html
图片来自Nature, 2019, doi:10.1038/s41586-019-1778-y。
Blobel说，“在有丝分裂期间，由于细胞分裂成两个子细胞，几乎所有基因都暂时关闭，染色质纤维（染色体物质）中的复杂结构被破坏了。有丝分裂后，这些子细胞忠实地重建每个细胞核中的这些复杂的染色质结构。”
Blobel说，尽管细胞周期至关重要，但是此前很少有科学家研究过染色质重建的机制。“在生物学中，基因组究竟是如何在细胞核中组装的，这一直是一个悬而未决的问题。一个细胞的基因组中的所有DNA碱基，如果解开成一条直线，将延伸两米。但是，这种遗传物质被限制在每个细胞核内的一个小空间里，这就需要高度有组织的包装。”
这些研究人员在来自一种成熟小鼠模型的造血细胞中进行了实验。他们使用了复杂的称为高通量染色体构象捕获（high throughput chromosome conformation capture, Hi-C）的技术，该技术可以检测染色体DNA中特定位点之间在三维空间中的相互作用，并构建这些相互作用的图谱。这些图谱还使得他们能够在细胞周期的不同时间点测量这样的相互作用。总体而言，这些工具在有丝分裂期间以及之后的子细胞核重建过程中检测到大约20亿次相互作用。
这项新的研究检测到染色质中结构的形成：转录活性区室和转录沉默区室的出现和扩展；在基因组调节区域之间建立联系；有助于塑造基因组的结构蛋白CTCF和黏连蛋白（cohesin）的变化。 Blobel说：“我们的发现描述了染色体在有丝分裂后自我重建的动态层次框架。”
除了描述细胞生物学中的关键过程外，这项新的研究还深入研究了Blobel所说的“染色质结构和基因转录之间的复杂相互作用”。转录，即DNA中编码的信息转移到RNA中，在有丝分裂期间暂时停止，但在有丝分裂之后会在子细胞中重新激活。由于破坏正常基因组结构或转录的基因突变可以在疾病中发挥关键作用，因此更好地了解染色质结构具有潜在的临床重要性。
举一个例子，费城儿童医院和其他地方的研究人员已经研究了黏连蛋白病（cohesinopathies），即黏连蛋白中的缺陷会导致多系统遗传疾病，比如多毛发育障碍综合征（Cornelia deLange syndrome）。Blobel说：“染色质相关结构的异常与疾病有关，因此我们的研究的一个意义是应该从细胞周期的角度来研究影响染色质结构的疾病。”
总之，Blobel补充说：“这项新的研究为生物学中的一个关键过程---染色质在空间和时间上的组装---的基本方面提供了重要见解。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Haoyue Zhang et al. Chromatin structure dynamics during the mitosis-to-G1 phase transition. Nature, 2019, doi:10.1038/s41586-019-1778-y.
2.Scientists detail how chromosomes reorganize after cell division
https://phys.org/news/2019-12-scientists-chromosomes-cell-division.html
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