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Science:136年来,终于破解有丝分裂期间染色体折叠之谜

来源:本站原创 2018-01-20 16:22

2018年1月20日/生物谷BIOON/---自从科学家们首次在显微镜下观察到染色体以来,一个持续了136年的生物学之谜是染色体在有丝分裂期间如何折叠。

如今,基因组折叠有一个新的剧本。一种新的逐步骤解释在以分钟为单位的时间分辨率下说明了细胞如何快速地将长长的染色体缠结物包装成细胞分裂所需的微小的紧密缠绕的染色体束。来自美国霍华德休斯医学研究所等研究机构的研究人员报道,细胞将染色体卷成环状结构,然后将这些环状结构缠绕成梯状的螺旋结构。相关研究结果于2018年1月18日在线发表在Science期刊上,论文标题为“A pathway for mitotic chromosome formation”。
在一种计算机模型中,一条浓缩的染色体的剖面图表明较小的环状结构成束地组装成较大的环状结构(彩虹色),这些较大的环状结构由凝缩蛋白(中间,深蓝色和红色)的环捆在一起。图片来自Anton Goloborodko。

论文共同通信作者、霍华德休斯医学研究所研究员Job Dekker说,“这是遗传学的最为基础的过程。”如果这种包装发生错误,那么染色体能够发生断裂并最终进入错误的地方---这是癌症的一种特征。这项新的研究解决了这个生物学之谜。

大多数时候,我们的细胞中的染色体像散开的纱线一样在细胞核中松散开来。Dekker说,散开的染色体链看起来像小斑点(blobs)。但在有丝分裂期间,当我们的细胞准备分裂成两个子细胞并将遗传物质移交给这些子细胞时,染色体盘绕起来,将大约六英尺的DNA装填到微小的包装物中。Dekker说,细胞能够很容易地将这些浓缩的X形团块(X-shaped nuggets)运送到它们的子细胞中。随后,染色体再次松散开,返回到斑点结构。

科学家们之前已弄明白细胞如何产生这些宽松的散漫开来的染色体。四年前,Dekker和同事们已报道了紧密包装的染色体的结构---一系列连续排列的环状结构。但是,他说,最大的问题是细胞是如何从一种状态转换非常快地到另一种状态,以及也非常快速地转换回去。他说:“整个过程需要10~15分钟的时间。这太不可思议了。”

这也是一个激烈争论的话题。一些科学家们认为细胞将它们的染色体扭曲成螺旋结构,而另一些科学家们则认为细胞仅是充塞着这些环状结构。

Dekker与美国爱丁堡大学惠康基金会细胞生物学中心的William Earnshaw和美国麻省理工学院的Leonid Mirny及其同事们一起利用遗传技术让实验室中的鸡细胞保持同步以至于它们都同时地开始包装它们的染色体。随后,这些研究人员在不同的时间点拍摄这些染色体的图片。

在几分钟之内,这些研究人员能够观察到类似吉露果子冻(Jell-O)的DNA团块结构组装成绳状杆结构。

接下来,这些研究人员将这些染色体固定到合适的位置上,从而将所有单个的染色体链接触的位点固定在一起。分析这些接触位点处的DNA序列就给他们提供了关于染色体结构的线索。

这些数据与对这种折叠过程的计算机模拟结果一起让这些研究人员测试针对染色体如何从团块结构转换到绳状杆结构作出的预测。Dekker说,“因为这些结构是完全不同的,所以你认为‘哦,这肯定是一个非常复杂和困难的过程’。”

但是实际上,这些研究人员发现这种转换过程仅需几个简单的步骤。被称作凝缩蛋白(condensin)的小型环状蛋白马达推动几码长的染色体通过这些蛋白马达自身的环而形成环状结构。 凝缩蛋白II将染色体编织成一系列较宽的环状结构,随后另一种被称作凝缩蛋白I的蛋白将这些较大的环状结构分裂成较小的环状结构。接着这些环状结构(每条染色体有数百个)像螺旋梯那样进行扭曲。

Dekker说,这种优雅高效的包装策略可能解释了每当细胞分裂时,细胞如何能够如此可靠地反复捆扎它们的染色体。

这项新的研究有望将之前的针对有丝分裂期间染色体折叠的两个相互矛盾的观点统一起来。Dekker说,染色体能够组装成一系列环状结构,但是它们也能够是螺旋结构的。他说,“我觉得这是非常令人满意的。我总是力求一致性。如果你面对的数据集可能会告诉你两种不同的东西,你能找到一种方法让它们都是对的吗?”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Johan H. Gibcus, Kumiko Samejima, Anton Goloborodko et al. A pathway for mitotic chromosome formation. Science, Published online:18 Jan 2018, doi:10.1126/science.aao6135

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