Nature细胞生物学关键步骤新见解:染色体在细胞分裂后如何重组

【字体: 时间:2019年12月06日 来源:生物通

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  “这项新研究为生物学关键过程的基本方面提供了重要见解——时空上的染色质组织。”

  

来自费城儿童医院的一组研究人员发现了基本生物学过程的的关键新机制,即细胞核及其染色体物质如何在细胞分裂后自我重组的。这些染色体结构和功能的新发现将为人类健康和疾病提供重要的新见解。

这一研究发现公布在Nature杂志上,描述了驱动有丝分裂后染色体重组的生物学结构和动力。

研究负责人Gerd A. Blobel博士说:“有丝分裂期间,由于细胞分裂成两个子细胞,实际上所有基因都被暂时关闭,染色质纤维中复杂的结构(染色体的实体)被破坏了。有丝分裂后,子细胞需要忠实地重建每个细胞核内复杂的染色质结构。”

尽管细胞生长和分裂的细胞周期至关重要,但此前很少有科学家研究过染色质重建的机制。

“一直以来,生物学上一直存在一个问题,那就是基因组在核中的真实组织方式。一个细胞基因组中的所有DNA碱基,如果解开成一条直线,将延伸两米。现在这种物质局限在细胞核内一个很小的空间里,这需要高度组织化的包装。”

研究小组在来自成熟小鼠模型的造血细胞中进行了实验。他们采用了称为高通量染色体构象捕获(Hi-C)的技术,该技术可以检测和定位染色体DNA中特定位点之间的三维空间相互作用。这些图谱还能帮助科学家在细胞周期的不同时间点测量这种相互作用。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能检测到大约20亿次相互作用。

最终研究人员发现了染色质中结构组装的机制:转录活性和沉默区室的出现和扩展,然后在基因组调控区域之间建立联系,所谓建筑蛋白CTCF和粘着蛋白发生变化(这有助于塑造基因组)。Blobel说:“我们的发现描述了染色体有丝分裂后自我重建的序列动态层次框架。”

除了描述细胞生物学的关键过程外,该研究还深入分析了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中编码的信息向RNA中等同信息的转换,在有丝分裂期间暂时停止,但此后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,研究人员已经分析了粘着素缺陷导致的多系统遗传疾病,例如Cornelia deLange综合征。 Blobel说:“染色质相关结构的异常与疾病有关,因此我们这项研究的一个意义在于应该从细胞周期的角度来观察影响染色质结构的疾病。”

总而言之,Blobel补充说:“这项新研究为生物学关键过程的基本方面提供了重要见解——时空上的染色质组织。”

原文标题:

Haoyue Zhang et al, "Chromatin structure dynamics during the mitosis-to-G1 phase transition," Nature, online Nov. 27, 2019, in print Dec. 5. http://doi.org/10.1038/s41586-019-1778-y



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