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多篇文章揭示染色体的奥秘!

来源:本站原创 2020-11-24 23:45

近年来,科学家们对染色体进行了大量研究,本文中,小编就对相关重要研究成果进行解读来揭示机体染色体的奥秘,与大家一起学习!

图片来源:Olaf Stemmann

【1】Nature:揭示MSL复合物特异性识别雄性X染色体机制

doi:10.1038/s41586-020-2935-z

人类女性有两条X染色体,男性只有一条。这种染色体的不平衡也延伸到了动物王国的其他分支。有趣的是,不起眼的果蝇设计了一种不同的方式来“平衡”这些差异。人类和小鼠的雌性会关闭其中的一条X染色体,而果蝇则是由雄性来完成这项任务。一种称为MSL复合物的表观遗传因子与单条雄性X染色体结合,并利用它的组蛋白乙酰化功能使得这条X染色体过度活化,从而试图让雄性果蝇的RNA生产水平与携带两条X染色体的雌性果蝇中的相当。如果这一过程失败,那么雄性果蝇就会死亡。

德国马克斯-普朗克免疫生物学与表观遗传学研究所主任Asifa Akhtar解释道,“一直让科学家们感到困惑的一个方面是,MSL复合物如何知道每个果蝇细胞携带的8条染色体中哪一条是X染色体。”这个问题促使她的团队设计了一种新颖而精心的策略来剖析MSL复合物如何识别X染色体。这些研究人员决定将这种复合物移植到一个完全陌生的环境--小鼠细胞中而不是在它的天然环境中研究它。

【2】Nature重大突破!生成完整的人类X染色体序列!

doi:10.1038/s41586-020-2547-7

美国国家卫生研究院(NIH)下属的国家人类基因组研究所(NHGRI)的研究人员制造出了第一个人类染色体的端到端DNA序列。近日发表在Nature杂志上的研究结果表明,精确地生成人类染色体的碱基序列现在是可能的,这将使研究人员能够生成完整的人类基因组序列。"这一成就开启了基因组学研究的新时代,"美国国家基因组研究所主任、医学博士Eric Green说道。"产生真正完整的染色体和基因组序列的能力是一项技术壮举,它将帮助我们获得对基因组功能的全面理解,并为在医疗保健中使用基因组信息提供信息。"

经过近二十年的改进,人类基因组参考序列是迄今为止最准确和完整的脊椎动物基因组序列。然而,其中仍然还有数百个未知的空白或缺失的DNA序列。这些缺口通常包含重复的DNA片段,非常难以测序。然而,这些重复片段包括可能与人类健康和疾病相关的基因和其他功能元素。因为人类基因组非常长,由大约60亿个碱基组成,DNA测序机无法一次读取所有碱基。取而代之的是,研究人员将基因组切成更小的片段,然后分析每一个片段,每次产生几百个碱基的序列。这些较短的DNA序列必须被重新组合在一起。

【3】Autophagy:有丝分裂中溶酶体功能揭示染色体稳定性

doi:10.1080/15548627.2020.1764727

在最近一项研究中,Bellvitge生物医学研究所(IDIBELL)和巴塞罗那大学(UB)的研究小组与梅奥诊所和明尼苏达大学的研究人员合作,揭示了溶酶体和自噬过程在有丝分裂过程中的活跃性,并且表明其对于有丝分裂是必需的。溶酶体和自噬作用可以消除并回收受损的细胞成分,因此,溶酶体活性对于维持正确的细胞功能十分重要,其失调与多种疾病有关,包括癌症,神经退行性疾病或与衰老相关的疾病。

在Autophagy杂志上发表的研究中,由Mauvezin博士领导的研究小组证明,溶酶体在有丝分裂期间是有活性的,当溶酶体功能受损时,染色体分离也会发生改变。理解溶酶体和自噬在有丝分裂过程中染色体分离中的作用导致了另一个发现。当这种分离缺陷性地受到影响时,子细胞呈现出具有环形形态的核,并带有孔的外观。这种特殊的形态代表了一种潜在的新生物标记,可用于鉴定具有染色体不稳定性的细胞。

【4】Nature:重大进展!新研究揭示调节染色体遗传的新机制

doi:10.1038/s41586-020-2182-3

在每个细胞分裂的过程中,染色体上的遗传信息必须在新产生的子细胞之间平均分配。分离酶(separase)在这个过程中起着决定性的作用。如今,在一项新的研究中,来自德国拜罗伊特大学的Susanne Hellmuth和Olaf Stemmann与来自西班牙萨拉曼卡大学的研究人员合作发现了调节分离酶活性的一种先前未知的机制。这些基础发现为我们目前对染色体遗传的理解增加了新的视角。相关研究结果在线发表在Nature期刊上。

细胞分裂对于人类的生长和繁殖至关重要。在细胞开始分裂之前,要先复制存储在染色体上的遗传信息。在完成这个过程后,每个染色体均由两个相同的DNA链(即姐妹染色单体)组成。黏连蛋白(cohesin)是由几种蛋白组成的环状结构,它包围着每个染色体,并将一对染色单体保持在一起。在准备进行细胞分裂的过程中,黏连蛋白已从染色体的臂中移除。但是,只有当停留在染色体中部的黏连蛋白被分离酶切割后,一对姐妹染色单体才能完全分离开来。随后,这对姐妹染色单体迁移到纺锤体的两个相对的末端,在那里它们形成了子细胞的遗传基础。

【5】Mol Cell:发育过程中的染色体的结构重组

doi:10.1016/j.molcel.2020.02.006

细胞核内遗传物质的空间排列在生物体的发育中起重要作用。近日,巴塞尔大学的一个研究小组与哈佛大学的科学家合作,开发了一种追踪单个细胞中染色体的方法。使用这种方法,作者能够证明染色体在胚胎发育过程中重组的现象。该研究最近发表在Molecular Cell杂志上。我们的身体由功能最多样化的各种细胞组成。但是,无论是心脏,肝脏还是神经细胞,它们都包含相同的遗传信息。细胞发育不同的原因是仅读取其染色体的一部分。这导致某些基因处于活跃状态,而另一些则处于沉默状态。

对于基因激活,基因的包装方式以及它们在细胞核中的空间组织都起着决定性的作用。巴塞尔大学Biozentrum的Susan Mango教授团队现在对染色体这种3D架构进行了更深入的研究。通过使用一种新技术,他们能够在线虫的胚胎发育过程中追踪单个染色体,并显示它们在早期阶段会发生重新排列。如果完全伸展,细胞的所有DNA分子的长度将达到两米左右。因此,必须将DNA紧密包装,以适合仅几微米大小的细胞核。 DNA链非常紧密地盘绕并扭曲形成了节省空间的结构,称为染色体。染色体DNA的包装和排列决定了基因的活性。

图片来源:CC0 Public Domain

【6】雌性哺乳动物细胞中为何会有一条X染色体出现功能失活?

doi:10.1038/d41586-020-00207-0

雌性哺乳动物有两条X染色体,而雄性哺乳动物只有一条X染色体,因此有机体会进化出一种显著的解决方案,从而防止两性在基因表达之间出现严重失衡,即在每一个拥有两条X染色体的细胞中,一个完整的X染色体都会被沉默从而抑制RNA进行转录;这个过程被称为X染色体失活(XCI,X-chromosome inactivation),其在雌性胚胎发育的早期就已经开始了,一旦完成,X染色体失活就会在整个生命阶段保持稳定状态,因此,通过不断扩展,一个人的X染色体就可以在沉默状态下传播100多年。

X染色体失活是有机体表观遗传过程的典范,表观遗传学修饰即时对DNA及相关蛋白质进行修饰来改变基因的表达,该过程曾被科学家们研究了数年;在过去25年里,研究人员重点对一种名为Xist的非编码RNA(lncRNA)进行研究,其能够调节XCI,然而研究人员并不清楚Xist沉默机制背后的分子机制;近日,Dossin等人在Nature杂志上刊文表示,他们进行了一系列实验揭示了Xist是如何通过与一种称之为SPEN的蛋白质联合来沉默基因的表达。

【7】JNCI:男性患癌风险为何普遍高于女性?原因竟是Y染色体关键基因的缺失

doi:10.1093/jnci/djz232

大量研究发现,男性要比女性更容易患癌,但目前研究人员并不清楚造成这种差异背后的原因,近日,一项刊登在国际杂志Journal of the National Cancer Institute上的研究报告中,来自巴塞罗那全球卫生研究所等机构的科学家们通过研究鉴别出了一种能够让男性患癌风险增加的关键生物学机制,即决定性别的Y染色体特定基因的功能缺失。文章中,研究人员利用来自9000名个体的数据,对患多种类型癌症患者机体Y染色体的基因功能进行了研究,研究结果表明,在多种类型细胞中,6个关键的Y染色体基因的功能缺失会伴随着机体患癌风险的增加。最近有研究显示,随着机体年龄增长,对性别分化非常重要的Y染色体会在一些男性细胞中丧失,尽管此前研究人员发现Y染色体的缺失与癌症发病风险增加相关,但他们并不清楚背后的原因。

研究者Alejandro Caceres说道,这6个Y染色体基因主要参与细胞循环的调节,其功能失调就会诱发癌症,更有意思的是,这些基因与X染色体上的一个类似拷贝相匹配,如果真是这样的话,X染色体的拷贝也会在相同的细胞中发生突变,这些基因对于抵御癌症的保护作用就会完全丧失。

【8】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

doi:10.1038/s41586-019-1778-y

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。

研究者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。”

【9】Nat Genet:染色体结构的重排真会影响其功能吗?

doi:10.1038/s41588-019-0462-3

长期以来,分子生物学家一直认为,基因组的3D结构域能够控制基因的表达方式,当在果蝇中研究了高度重排的染色体后,欧洲分子生物学实验室的科学家们通过研究揭示了在某些基因中发现的一些情况,研究人员阐明了3-D基因组结构(染色体拓扑学结构)和基因表达之间的解偶联机制,相关研究刊登于国际杂志Nature Genetics上。

我们的染色体能被分为多个结构域,控制基因表达的DNA调节性区域(增强子)通常会与其靶点基因一起位于某些染色质的结构域(拓扑相关结构域)中;截至目前为止,有很多有趣的例子,有些结构域会将增强子的活性限制在结构域中的某些基因中。这项研究中,研究人员通过联合研究发现,染色质结构域的改变或许并不能预测基因表达的改变,这就意味着,除了结构域之外,肯定还存在某种机制能够控制增强子和其靶点基因之间相互作用的特异性。

【10】PNAS:细胞分裂过程中非编码RNA对于染色体稳定的作用

doi:10.1073/pnas.1821384116

我们的遗传密码存储在由DNA组成的染色体中。为了确保在所有细胞中遗传密码的一致性,我们的细胞必须精确复制并在每个细胞周期中将其染色体均等地分布到其两个子细胞中。染色体分离的错误导致细胞染色体数目异常,这可能导致自然流产,遗传性疾病或癌症等的发生。为了确保染色体的正常分离,着丝粒具有十分重要的作用。着丝粒它是染色体上独特的DNA区域,在细胞分裂过程中指导染色体的运动。

研究人员发现,使用着丝粒DNA作为模板来产生非蛋白质编码的着丝粒RNA,这是染色体稳定性必不可少的。如果着丝粒RNA(cenRNA)太多或太少,着丝粒就会出现缺陷,染色体就会丢失。该研究结果最近发表在PNAS杂志上。我们染色体的DNA编码大约20,000种蛋白质。当细胞需要产生特定的蛋白质,例如胰岛素时,首先将编码胰岛素的基因用作模板以复制成RNA分子。然后该RNA指导蛋白质的合成。虽然我们只有2%的DNA可以最终产生蛋白质,但另外70%的DNA仍被复制到RNA中,这些最终无法形成蛋白质的被称为非编码RNA。近年来,研究已经揭示了非编码RNA的重要作用,例如基因调控和维持染色体结构。(生物谷Bioon.com)

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