打破传统观点:连接组蛋白调节染色体的长度和形状

【字体: 时间:2021年10月15日 来源:eLife

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  一项新的研究发现,被称为连接组蛋白的蛋白质控制着复杂的盘绕过程,这一过程决定了DNA是会缠绕成细长的染色体(由许多小环组成),还是短而粗的染色体(由较少的大环组成)。

  
   

Chromosomes    

图像:提取稀释后的染色体,一种在实验室分散个性化染色体的技术。

作者:Pavan S. Choppakatla

人类的生命取决于我们的细胞能否将6英尺长的DNA塞进10微米大小的核中——这相当于在一颗绿色豌豆中塞进一英里长的绳子。但把基因塞进狭小的空间只是成功的一半。DNA也必须保持组织,小心地盘绕成环状,以确保信息易于获取,而不是一团混乱。

现在,新的研究已经确定了一种被称为连接组蛋白的蛋白质,它是控制DNA是缠绕成又长又细的染色体(由许多小环组成),还是短而粗的染色体(由更少的大环组成)的因素。发表在《eLife》杂志上的这一发现首次描述了染色体的形状是如何由连接组蛋白在分子水平上调节的。

“连接组蛋白曾被认为只影响一小部分遗传物质,”洛克菲勒的Hironori Funabiki说。“我们现在证明,它控制着染色体中循环的数量和最终形状,这是一个比预期大得多的调控空间。”

超越“串珠”

遗传物质是围绕着核小体组织的,核小体通常被描述为一串珠子,一段DNA“线”缠绕在一个中心蛋白质“珠子”上。绳子被一种蛋白质夹固定在珠上,这种蛋白质夹是连接组蛋白,它也参与将多个核小体珠折叠成染色质纤维。这些纤维通过一种分子马达——凝缩酶——形成了染色体,凝缩酶将染色质组织成环状。

不同物种和细胞类型的染色体有不同的形状,很大程度上取决于每个染色质环的大小。Funabiki举了一个大家熟悉(但令人沮丧)的绕线耳机的例子。如果你把它们绕成许多小圈,耳机就能整齐地放进口袋里。然而,如果你只把电线绕成几个大圈,耳机就会形成一个庞大的体积。同样,小环的数量越多,染色体就越长越细;一些大的染色质环将形成更短、更厚的染色体。

科学家们知道环的形成是染色体大小和形状的核心,但各种细胞如何调节这一过程来形成更大或更小的环仍然是一个谜。

链接蛋白的新作用

Funabiki和同事着手解决这个谜题。利用马萨诸塞大学医学院的Job Dekker开发的一种方法,该团队分析了蛙卵的DNA,发现连接组蛋白——除了将线夹成珠子并将它们组织成纤维之外——也阻止凝缩蛋白与核小体结合并形成染色质环。

一幅环状结构的图片开始浮现,连接组蛋白在这一过程的核心。研究人员发现,改变染色体的形状很简单,就是增加或减少可抑制凝集素的连接组蛋白的数量。

当高浓度的连接蛋白组蛋白阻断凝乳蛋白时,蛋白质复合物就能产生更少的染色质环。由于只有少量的环在形成,这条线上有足够的松弛,使这些环发展成大线圈,最终将聚集成又短又厚的染色体。较低浓度的连接组蛋白启动了相反的过程:冷凝蛋白可以自由形成更多的环路,因此每个环路中可用的纤维更少。结果是大量的小环被整齐地压缩成细长的染色体。

Funabiki推测,细胞可能已经进化出了调整染色体长度的能力,以加快或减缓它们的生长。他说:“染色体越长,在细胞分裂过程中分离所需的时间就越多。”“蛙卵暴露在危险的环境中,所以速度很重要。成功的繁殖取决于卵变成蝌蚪并逃脱的速度。也许青蛙卵保持较短的染色体,以允许细胞快速分裂。”

未来,Funabiki的实验室将探索连接组蛋白是否在影响人类染色体的大小和形状方面发挥类似的作用。“最初的工作只涉及青蛙卵,”该研究的主要作者Pavan S. Choppakatla说,他是Funabiki实验室的一名成员。“我们现在正在研究人类卵子和体细胞中的连接组蛋白,看看我们的发现是否可以广泛应用。”

DOI

10.7554 / eLife.68918

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