Mol Cell | 儲欞欏等繪製有絲分裂染色體的3D地形

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作為遺傳物質的載體，染色體是在細胞有絲分裂期出現的高度組織化的結構。該結構自19世紀70年代Flemming在顯微鏡下觀測以來，一直為科學家們所痴迷。隨著方法的改進和技術的進步，人們可以利用各種手段對它進行研究，從而也提出各種染色體模型。其中比較有名的是螺旋狀盤繞模型。

圖1. 螺旋盤繞模型和難題

該模型主要來自固定染色體的圖像（【1-3】;圖1A）。Laemmli的開創性工作對此給予了有力的支持【4,5】，他們的EM圖像表明，染色質環是從螺旋線繞軸徑向放射出的，即通過單個線性螺旋線的螺旋繞線迴路/軸陣列（圖1B）。最近，分子染色體構象捕獲（HiC）數據顯示基因組遠距離的序列處於緊密的物理接觸中【6】。與Laemmli模型類似，此效果的建模暗示著從相對筆直的軸徑向出現連續的環，就像從中央支杆出來的螺旋形樓梯的臺階一樣（圖1C）。所有使用單個染色單體螺旋卷繞的模型都會引起一個基本難題：沿著單個染色單體的這種卷繞如何適應緊密關聯的（連結的）姐妹染色單體的存在（圖1D）？這個問題沒有得到解答。

2020年8月6日，Molecular Cell在線發表了題為"The 3D Topography of Mitotic Chromosomes」 的研究論文。

該研究通過對活細胞和固定的哺乳動物細胞中的染色體進行了高解析度3D螢光成像，發現並證實了姐妹染色體之間橋的存在；同時對染色質和軸質心路徑進行形態學分析，揭示了染色體如何壓縮同時又保持姐妹染色單體的緊密平行排列的難題。

通過對主要染色體軸成分拓撲異構酶IIα（TopIIα）的3D成像，該研究發現姐妹染色單體通過軸間橋連接。該橋於晚前期（late prophase）與姐妹染色單體個體化相伴而生，並維持到早後期（early-anaphase）（圖2A）。它們沿染色體均勻分布，在相鄰橋之間的距離約為400nm （圖3D），姐妹染色體橋的數量隨著染色體縮短而減少，但仍保持其特徵性均勻間隔。姐妹染色體橋還包含其他已知的後前期（post-prophase）軸組分：condensins，SMC5/6，HMG-I/Y，cohesin以及DNA構成。考慮到它們的組成，這些DNA /結構橋被認為是「微型軸」。

圖2. 橋的周期輪廓

姐妹染色體橋的發現明顯挑戰了有絲分裂染色體呈螺旋狀盤繞的學說。該研究通過可視化染色質，以及根據TopIIα軸形狀定義了它們的質心路徑，重新研究了緻密前中期/中期染色體的組織（圖3A和3B）。結果發現軸路徑基本上是平面的，並且是由交替手性（紅色：左手螺旋/藍色：右手螺旋）的約半螺旋段的連續陣列組成。這種模式還具有規則間隔的扭結（白點），這種扭結經常（但不總是）出現在手性變化的位置，並且伴隨著相鄰段彼此相對旋轉的趨勢（圖3B）。半螺旋線段的長度約為200nm （圖3C），具有較長長度的線段子集，並且左手手性和右手手性結構以相同的頻率出現（圖3B和3E）。軸路徑總體上在拓撲上是 「中性」 的，淨扭曲為零，並且沒有任何全局螺旋纏繞。

圖3. 染色體軸質心分析

等距橋是個很有意思的現象。該研究對中前期（mid-prophase）到晚前期（late prophase）轉變過程中染色體軸的形態進行了分析，發現染色體軸是經歷了一個由平滑到曲折，再到產生「氣泡」 （bubbles），最終形成橋的過程（圖4A，4B和4C）。

從力學角度，這完全符合內應力變化的過程。即內應力隨著染色體凝集而增加，產生扭結 (kinks) 或彎頭 (bends); 當內應力繼續增加從而促進「氣泡」的產生而釋放應力；這一趨勢繼續發生最終促使姐妹染色體的個體化以及橋的產生。

另外，在這一時期染色體本就經受了一個compaction/expansion的過程【7】，說明染色體確實經歷了壓力變化的過程。橋位置的產生類似於減數分裂的交叉幹擾現象（cross-over interference）【8】， 符合應力分配的 「beam-film」 模型 （圖4D和4E）【9】。

圖4. 橋的產生機制

總之，該研究通過高解析度成像，揭示了姐妹染色單體間橋的存在，並從形態學角度分析其產生，並受控於機械內應力調節的合理性；該研究還發現了染色體組裝的新特徵，即形成交替半螺旋，從而否定了螺旋盤繞模型；另外，染色體凝集過程中姐妹染色單體具有壓縮不同步狀況，而軸橋則對不對稱壓縮具有限制作用，從而保證整體染色體壓縮的一致性，為後期姐妹染色體的分離做準備。這項研究啟發了人們對染色體的結構以及其行為特徵新的思考，為染色體的穩定遺傳機制提供新的實驗與理論依據。

這項工作是儲欞欏博士在Nancy Kleckner博士實驗室完成的工作。儲欞欏博士畢業於中國科學技術大學，研究方向為細胞生物學，研究興趣是通過成像的方法研究染色體形態及其穩代遺傳機制。Nancy Kleckner博士為美國科學院院士、哈佛大學教授。

另Mol Cell同期Review文章「Advances in chromatin and chromosome research: perspectives from multiple fields」也有相關報導。

原文連結：

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2020.07.002

製版人：MENG

參考文獻

1. I. Manton, The spiral structure of chromosomes. Biol Rev Camb Philos Soc 25, 486-508 (1950).

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3. Y. Ohnuki, Structure of chromosomes. I. Morphological studies of the spiral structure of human somatic chromosomes. Chromosoma 25, 402-428 (1968).

4. K. Maeshima, M. Eltsov, U. K. Laemmli, Chromosome structure: improved immunolabeling for electron microscopy. Chromosoma 114, 365-375 (2005).

5. M. P. Marsden, U. K. Laemmli, Metaphase chromosome structure: evidence for a radial loop model. Cell 17, 849-858 (1979).

6. J. H. Gibcus et al., A pathway for mitotic chromosome formation. Science 359, (2018).

7. Z. Liang et al., Chromosomes Progress to Metaphase in Multiple Discrete Steps via Global Compaction/Expansion Cycles. Cell 161, 1124-1137 (2015).

8. L. Zhang et al., Topoisomerase II mediates meiotic crossover interference. Nature511, 551-556 (2014).

9. N. Kleckner et al., A mechanical basis for chromosome function. Proc Natl Acad Sci U S A 101, 12592-12597 (2004).