有丝分裂染色体外周层调控染色体力学特性的机制研究

本研究揭示了有丝分裂染色体外周层(MCP)通过动态自重组和结构约束调控染色体力学特性的分子机制。研究人员利用光镊技术和改进的宽带微流变学分析，首次直接测量了Ki-67调控的MCP对染色体粘弹性的贡献，发现MCP通过"液态样"力学行为赋予染色体力阻尼特性，为理解细胞分裂中染色体个体化机制提供了新见解。

　　

在细胞生命周期的精密舞蹈中，有丝分裂染色体如何维持其结构完整性始终是未解之谜。传统观点认为染色体骨架蛋白是力学特性的主要决定因素，但覆盖在染色体表面的蛋白质-RNA复合物——有丝分裂染色体外周层(MCP)的力学作用长期被忽视。更棘手的是，现有研究对染色体力学特性的描述存在巨大差异，从自由扩散的聚合物到凝胶态物质，这种矛盾源于染色体固有的动态异质性。当Ki-67（MCP的主要组织者）缺失时，染色体会出现异常粘连现象，暗示MCP可能通过未知的力学机制维持染色体个体化。

为破解这一难题，英国诺丁汉大学（University of Nottingham）和肯特大学（University of Kent）的研究团队在《Nature Communications》发表突破性研究。他们创新性地结合单染色体操控技术与新型力学分析方法，首次定量揭示了MCP作为"分子减震器"的机制。研究发现MCP通过动态重组能力缓冲机械应力，其作用类似于生物表面活性剂，这一发现不仅解释了染色体在分裂过程中的稳定性机制，还为癌症治疗（Ki-67是重要肿瘤标志物）提供了新的力学视角。

研究团队运用三大关键技术：1）建立CRISPR编辑的Ki-67-mEmerald细胞系实现MCP可视化；2）光镊系统（C-Trap）进行单染色体力谱测量，覆盖0.02-100μm/s的加载速率；3）首创"拉伸-保持"宽带微流变学技术，可同时解析七个数量级频率（10^-2-10⁵ rad/s）的粘弹性响应。通过比较野生型、Ki-67敲除（KD）和过表达（OE）染色体，首次建立了MCP力学贡献的定量模型。

力-拉伸实验证实染色体力学具有速率依赖性
在0.02μm/s（接近生理速率）拉伸时，所有染色体呈现线性弹性（弹性模量S=0.12pN/nm），MCP含量不影响基本刚度。但在0.2μm/s时，野生型染色体表现出非线性硬化（γ=0.88），符合分层蠕虫链模型（HWLC）；而KD染色体γ值降至0.56，揭示MCP缺失会破坏染色体内部的力传递网络。

宽带微流变学揭示染色体自组织动力学
创新性的快速加载（100μm/s）实验捕捉到传统方法无法检测的瞬态响应：野生型染色体在10ms时损耗因子tanδ达峰值2.7，显示显著的粘性重组；而KD染色体tanδ始终<1，丧失液态重组能力。Burgers模型拟合显示，MCP贡献了类似Maxwell流体的瞬时响应（η₂/κ₁=1.5s），而染色体骨架表现为Kelvin-Voigt固体。

染色体粘弹性响应受外周层调控
MCP通过两类机制发挥作用：在分子尺度（10³ rad/s）通过带电荷的无序结构域（IDRs）实现动态交联；在宏观尺度（10^-2 rad/s）作为结构约束维持网络完整性。OE染色体表现出MCP过载导致的动力学紊乱，证实存在最优MCP负载阈值。

这项研究建立了有丝分裂染色体的全时空力学图谱，阐明MCP通过"分子减震"机制保护染色体免受机械损伤。其意义在于：1）首次将Ki-67的生物学功能与定量力学参数关联；2）开发的宽带微流变学技术为研究其他亚细胞结构树立新标准；3）为癌症治疗（靶向Ki-67）提供了力学干预思路。该发现还可能解释为何Ki-67高表达的癌细胞能耐受染色体错误分离——过量的MCP可能通过改变力学阈值促进基因组不稳定性。