包装基因组一步一步

基因组折叠现在有一个剧本。一个新的逐步说明在细节分辨率中阐明细胞如何快速将长染色体缠结成细胞分裂所需的微小紧密缠绕束。霍华德休斯医学研究所的研究人员在2018年1月18日的“科学”杂志上报道，细胞将染色体卷入环状，然后将环状物缠绕成螺旋形楼梯结构。

“这是最基本的遗传过程，”研究合着者和霍华德休斯医学研究所(HHMI)调查员Job Dekker说。如果包装出错，染色体可能会破裂并最终落入错误的位置 - 这是癌症的标志。

Dekker说，这项新工作解决了一个可追溯到一个多世纪以来的生物学谜团，科学家们首次在显微镜下观察染色体。

大多数时候，我们细胞的染色体在细胞核中像一条未分开的纱线一样串起。马萨诸塞大学医学院的生物化学家Dekker说，弥漫性链条看起来像小斑点。但是在有丝分裂期间，当我们的细胞准备分裂为两个并将遗传物质移交给子细胞时，染色体会卷起来，将大约6英尺的DNA塞进微观包装中。Dekker说，细胞可以很容易地将这些浓缩的X形块提供给它们的女儿。然后，染色体再次折皱，重新变成斑点。

科学家此前已经弄清楚细胞如何构建这些松散的弥散染色体。四年前，Dekker及其同事报告了紧密堆积染色体的结构 - 一系列连续的环。但是，他说，最大的问题是细胞如何从一种状态转变为另一种状态，又一次又一次地转变 - 而且速度如此之快。“整个过程发生在10到15分钟，”他说。“这太不可思议了。”

这也是一场激烈争论的问题。一些研究人员认为，细胞将染色体扭曲成螺旋状，而另一些研究人员认为细胞只是粘在环状物上。

Dekker，以及爱丁堡大学惠康细胞生物学信托中心的William Earnshaw，麻省理工学院的Leonid Mirny及其同事利用遗传技巧在实验室中同步鸡细胞，以便他们同时开始包装染色体。然后科学家们在不同的时间点拍摄了染色体的快照。

几分钟之内，研究人员就可以看到像Jell-O一样的DNA球体排列成绳状杆。

接下来，该团队将染色体粘合在一起，将所有个别链接触的斑点粘在一起。分析这些连接点的DNA序列为团队提供了有关染色体结构的线索。“如果你知道绳索的哪一部分紧挨着它，你可以重建它的三维结构，”Dekker说。

这些数据以及折叠过程的计算机模拟让研究人员测试了染色体如何从斑点转变为杆状的预测。“因为结构完全不同，你会想，'哦，这必定是一个非常复杂和困难的过程'，”Dekker说。

但实际上，这一切都发生在几个简单的步骤中，团队发现。称为凝聚素的小型环状蛋白质马达通过环推动染色体码，形成环。Condensin II将染色体编织成一系列宽环，然后另一种蛋白凝结蛋白I将大环分成较小的环。然后，每个染色体数百个循环像螺旋形楼梯一样扭转。

Dekker说，这种优雅，高效的包装策略可以解释每次细胞分裂时细胞如何可靠地将染色体一遍又一遍地捆扎在一起。

这项新工作有望统一两种以前相互矛盾的有丝分裂染色体观点。Dekker说，染色体可以排列成一系列环，但它们也可以是螺旋状的。“我发现这非常令人满意，”他说。“我总是瞄准合作。如果你面对的数据集应该告诉你两件不同的东西，你能找到一种方法让他们都正确吗?”