多篇文章揭示染色體的奧秘!

近年來，科學家們對染色體進行了大量研究，本文中，小編就對相關重要研究成果進行解讀來揭示機體染色體的奧秘，與大家一起學習！

圖片來源：Olaf Stemmann

【1】Nature：揭示MSL複合物特異性識別雄性X染色體機制

doi：10.1038/s41586-020-2935-z

人類女性有兩條X染色體，男性只有一條。這種染色體的不平衡也延伸到了動物王國的其他分支。有趣的是，不起眼的果蠅設計了一種不同的方式來「平衡」這些差異。人類和小鼠的雌性會關閉其中的一條X染色體，而果蠅則是由雄性來完成這項任務。一種稱為MSL複合物的表觀遺傳因子與單條雄性X染色體結合，並利用它的組蛋白乙醯化功能使得這條X染色體過度活化，從而試圖讓雄性果蠅的RNA生產水平與攜帶兩條X染色體的雌性果蠅中的相當。如果這一過程失敗，那麼雄性果蠅就會死亡。

德國馬克斯-普朗克免疫生物學與表觀遺傳學研究所主任Asifa Akhtar解釋道，「一直讓科學家們感到困惑的一個方面是，MSL複合物如何知道每個果蠅細胞攜帶的8條染色體中哪一條是X染色體。」這個問題促使她的團隊設計了一種新穎而精心的策略來剖析MSL複合物如何識別X染色體。這些研究人員決定將這種複合物移植到一個完全陌生的環境--小鼠細胞中而不是在它的天然環境中研究它。

【2】Nature重大突破！生成完整的人類X染色體序列！

doi：10.1038/s41586-020-2547-7

美國國家衛生研究院(NIH)下屬的國家人類基因組研究所(NHGRI)的研究人員製造出了第一個人類染色體的端到端DNA序列。近日發表在Nature雜誌上的研究結果表明，精確地生成人類染色體的鹼基序列現在是可能的，這將使研究人員能夠生成完整的人類基因組序列。"這一成就開啟了基因組學研究的新時代，"美國國家基因組研究所主任、醫學博士Eric Green說道。"產生真正完整的染色體和基因組序列的能力是一項技術壯舉，它將幫助我們獲得對基因組功能的全面理解，並為在醫療保健中使用基因組信息提供信息。"

經過近二十年的改進，人類基因組參考序列是迄今為止最準確和完整的脊椎動物基因組序列。然而，其中仍然還有數百個未知的空白或缺失的DNA序列。這些缺口通常包含重複的DNA片段，非常難以測序。然而，這些重複片段包括可能與人類健康和疾病相關的基因和其他功能元素。因為人類基因組非常長，由大約60億個鹼基組成，DNA測序機無法一次讀取所有鹼基。取而代之的是，研究人員將基因組切成更小的片段，然後分析每一個片段，每次產生幾百個鹼基的序列。這些較短的DNA序列必須被重新組合在一起。

【3】Autophagy：有絲分裂中溶酶體功能揭示染色體穩定性

doi：10.1080/15548627.2020.1764727

在最近一項研究中，Bellvitge生物醫學研究所（IDIBELL）和巴塞隆納大學（UB）的研究小組與梅奧診所和明尼蘇達大學的研究人員合作，揭示了溶酶體和自噬過程在有絲分裂過程中的活躍性，並且表明其對於有絲分裂是必需的。溶酶體和自噬作用可以消除並回收受損的細胞成分，因此，溶酶體活性對於維持正確的細胞功能十分重要，其失調與多種疾病有關，包括癌症，神經退行性疾病或與衰老相關的疾病。

在Autophagy雜誌上發表的研究中，由Mauvezin博士領導的研究小組證明，溶酶體在有絲分裂期間是有活性的，當溶酶體功能受損時，染色體分離也會發生改變。理解溶酶體和自噬在有絲分裂過程中染色體分離中的作用導致了另一個發現。當這種分離缺陷性地受到影響時，子細胞呈現出具有環形形態的核，並帶有孔的外觀。這種特殊的形態代表了一種潛在的新生物標記，可用於鑑定具有染色體不穩定性的細胞。

【4】Nature：重大進展！新研究揭示調節染色體遺傳的新機制

doi：10.1038/s41586-020-2182-3

在每個細胞分裂的過程中，染色體上的遺傳信息必須在新產生的子細胞之間平均分配。分離酶（separase）在這個過程中起著決定性的作用。如今，在一項新的研究中，來自德國拜羅伊特大學的Susanne Hellmuth和Olaf Stemmann與來自西班牙薩拉曼卡大學的研究人員合作發現了調節分離酶活性的一種先前未知的機制。這些基礎發現為我們目前對染色體遺傳的理解增加了新的視角。相關研究結果在線發表在Nature期刊上。

細胞分裂對於人類的生長和繁殖至關重要。在細胞開始分裂之前，要先複製存儲在染色體上的遺傳信息。在完成這個過程後，每個染色體均由兩個相同的DNA鏈（即姐妹染色單體）組成。黏連蛋白（cohesin）是由幾種蛋白組成的環狀結構，它包圍著每個染色體，並將一對染色單體保持在一起。在準備進行細胞分裂的過程中，黏連蛋白已從染色體的臂中移除。但是，只有當停留在染色體中部的黏連蛋白被分離酶切割後，一對姐妹染色單體才能完全分離開來。隨後，這對姐妹染色單體遷移到紡錘體的兩個相對的末端，在那裡它們形成了子細胞的遺傳基礎。

【5】Mol Cell：發育過程中的染色體的結構重組

doi：10.1016/j.molcel.2020.02.006

細胞核內遺傳物質的空間排列在生物體的發育中起重要作用。近日，巴塞爾大學的一個研究小組與哈佛大學的科學家合作，開發了一種追蹤單個細胞中染色體的方法。使用這種方法，作者能夠證明染色體在胚胎發育過程中重組的現象。該研究最近發表在Molecular Cell雜誌上。我們的身體由功能最多樣化的各種細胞組成。但是，無論是心臟，肝臟還是神經細胞，它們都包含相同的遺傳信息。細胞發育不同的原因是僅讀取其染色體的一部分。這導致某些基因處於活躍狀態，而另一些則處於沉默狀態。

對於基因激活，基因的包裝方式以及它們在細胞核中的空間組織都起著決定性的作用。巴塞爾大學Biozentrum的Susan Mango教授團隊現在對染色體這種3D架構進行了更深入的研究。通過使用一種新技術，他們能夠在線蟲的胚胎發育過程中追蹤單個染色體，並顯示它們在早期階段會發生重新排列。如果完全伸展，細胞的所有DNA分子的長度將達到兩米左右。因此，必須將DNA緊密包裝，以適合僅幾微米大小的細胞核。 DNA鏈非常緊密地盤繞並扭曲形成了節省空間的結構，稱為染色體。染色體DNA的包裝和排列決定了基因的活性。

圖片來源：CC0 Public Domain

【6】雌性哺乳動物細胞中為何會有一條X染色體出現功能失活？

doi：10.1038/d41586-020-00207-0

雌性哺乳動物有兩條X染色體，而雄性哺乳動物只有一條X染色體，因此有機體會進化出一種顯著的解決方案，從而防止兩性在基因表達之間出現嚴重失衡，即在每一個擁有兩條X染色體的細胞中，一個完整的X染色體都會被沉默從而抑制RNA進行轉錄；這個過程被稱為X染色體失活（XCI，X-chromosome inactivation），其在雌性胚胎發育的早期就已經開始了，一旦完成，X染色體失活就會在整個生命階段保持穩定狀態，因此，通過不斷擴展，一個人的X染色體就可以在沉默狀態下傳播100多年。

X染色體失活是有機體表觀遺傳過程的典範，表觀遺傳學修飾即時對DNA及相關蛋白質進行修飾來改變基因的表達，該過程曾被科學家們研究了數年；在過去25年裡，研究人員重點對一種名為Xist的非編碼RNA（lncRNA）進行研究，其能夠調節XCI，然而研究人員並不清楚Xist沉默機制背後的分子機制；近日，Dossin等人在Nature雜誌上刊文表示，他們進行了一系列實驗揭示了Xist是如何通過與一種稱之為SPEN的蛋白質聯合來沉默基因的表達。

【7】JNCI：男性患癌風險為何普遍高於女性？原因竟是Y染色體關鍵基因的缺失

doi：10.1093/jnci/djz232

大量研究發現，男性要比女性更容易患癌，但目前研究人員並不清楚造成這種差異背後的原因，近日，一項刊登在國際雜誌Journal of the National Cancer Institute上的研究報告中，來自巴塞隆納全球衛生研究所等機構的科學家們通過研究鑑別出了一種能夠讓男性患癌風險增加的關鍵生物學機制，即決定性別的Y染色體特定基因的功能缺失。文章中，研究人員利用來自9000名個體的數據，對患多種類型癌症患者機體Y染色體的基因功能進行了研究，研究結果表明，在多種類型細胞中，6個關鍵的Y染色體基因的功能缺失會伴隨著機體患癌風險的增加。最近有研究顯示，隨著機體年齡增長，對性別分化非常重要的Y染色體會在一些男性細胞中喪失，儘管此前研究人員發現Y染色體的缺失與癌症發病風險增加相關，但他們並不清楚背後的原因。

研究者Alejandro Caceres說道，這6個Y染色體基因主要參與細胞循環的調節，其功能失調就會誘發癌症，更有意思的是，這些基因與X染色體上的一個類似拷貝相匹配，如果真是這樣的話，X染色體的拷貝也會在相同的細胞中發生突變，這些基因對於抵禦癌症的保護作用就會完全喪失。

【8】Nature：新研究詳細揭示染色體在細胞分裂後的自我重新組裝機制

doi：10.1038/s41586-019-1778-y

在一項新的研究中，美國費城兒童醫院兒科血液學主任Gerd A. Blobel博士及其同事們發現了一種基本生物學過程---細胞核及其染色體物質在細胞分裂後如何自我重新組裝---的關鍵機制和結構細節。這些新的發現為人類健康和疾病提供了重要的新見解，相關研究結果近期發表在Nature期刊上。

研究者Blobel說，「在有絲分裂期間，由於細胞分裂成兩個子細胞，幾乎所有基因都暫時關閉，染色質纖維（染色體物質）中的複雜結構被破壞了。有絲分裂後，這些子細胞忠實地重建每個細胞核中的這些複雜的染色質結構。」Blobel說，儘管細胞周期至關重要，但是此前很少有科學家研究過染色質重建的機制。「在生物學中，基因組究竟是如何在細胞核中組裝的，這一直是一個懸而未決的問題。一個細胞的基因組中的所有DNA鹼基，如果解開成一條直線，將延伸兩米。但是，這種遺傳物質被限制在每個細胞核內的一個小空間裡，這就需要高度有組織的包裝。」

【9】Nat Genet：染色體結構的重排真會影響其功能嗎？

doi：10.1038/s41588-019-0462-3

長期以來，分子生物學家一直認為，基因組的3D結構域能夠控制基因的表達方式，當在果蠅中研究了高度重排的染色體後，歐洲分子生物學實驗室的科學家們通過研究揭示了在某些基因中發現的一些情況，研究人員闡明了3-D基因組結構（染色體拓撲學結構）和基因表達之間的解偶聯機制，相關研究刊登於國際雜誌Nature Genetics上。

我們的染色體能被分為多個結構域，控制基因表達的DNA調節性區域（增強子）通常會與其靶點基因一起位於某些染色質的結構域（拓撲相關結構域）中；截至目前為止，有很多有趣的例子，有些結構域會將增強子的活性限制在結構域中的某些基因中。這項研究中，研究人員通過聯合研究發現，染色質結構域的改變或許並不能預測基因表達的改變，這就意味著，除了結構域之外，肯定還存在某種機制能夠控制增強子和其靶點基因之間相互作用的特異性。

【10】PNAS：細胞分裂過程中非編碼RNA對於染色體穩定的作用

doi：10.1073/pnas.1821384116

我們的遺傳密碼存儲在由DNA組成的染色體中。為了確保在所有細胞中遺傳密碼的一致性，我們的細胞必須精確複製並在每個細胞周期中將其染色體均等地分布到其兩個子細胞中。染色體分離的錯誤導致細胞染色體數目異常，這可能導致自然流產，遺傳性疾病或癌症等的發生。為了確保染色體的正常分離，著絲粒具有十分重要的作用。著絲粒它是染色體上獨特的DNA區域，在細胞分裂過程中指導染色體的運動。

研究人員發現，使用著絲粒DNA作為模板來產生非蛋白質編碼的著絲粒RNA，這是染色體穩定性必不可少的。如果著絲粒RNA（cenRNA）太多或太少，著絲粒就會出現缺陷，染色體就會丟失。該研究結果最近發表在PNAS雜誌上。我們染色體的DNA編碼大約20，000種蛋白質。當細胞需要產生特定的蛋白質，例如胰島素時，首先將編碼胰島素的基因用作模板以複製成RNA分子。然後該RNA指導蛋白質的合成。雖然我們只有2％的DNA可以最終產生蛋白質，但另外70％的DNA仍被複製到RNA中，這些最終無法形成蛋白質的被稱為非編碼RNA。近年來，研究已經揭示了非編碼RNA的重要作用，例如基因調控和維持染色體結構。（生物谷Bioon.com）

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