研究人员确定了折叠基因组的简单规则

由麻省大学陈医学院的Job Dekker博士共同领导的一个国际研究小组已经确定了告诉细胞如何将DNA折叠成有丝分裂过程中形成的紧密排列的标志性X形染色体的规则，这些规则有助于确保细胞分裂过程中遗传信息在细胞之间的准确传递

这些发现发表在《科学》杂志上，在微米尺度上阐明了有丝分裂的基本生物学功能。了解细胞如何完成这一关键任务，可能会为遗传、DNA稳定性和修复以及导致癌症等人类疾病的基因突变提供重要的新见解

“虽然我们和许多其他人对有丝分裂过程中基因组如何在染色体内折叠的一般理解做出了贡献，即细胞如何动态地获得其复杂的折叠排列，但将几厘米的遗传信息压缩成只有几微米大小的复杂排列的姐妹DNA分子对更具挑战性，”Howard Hughes医学研究员、Joseph J.Byrne生物医学研究主席和系统生物学教授Dekker博士说

“我们团队的工作概述了细胞在细胞分裂的有丝分裂阶段如何遵循一些简单的规则来构建染色体并将DNA折叠成这些微小而复杂的结构。”

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与Dekker共同领导这项研究的是爱丁堡大学染色体动力学教授William C.Earnshaw博士；Leonid A.Mirny，博士，麻省理工学院医学和生物医学物理学教授；维也纳分子生物技术研究所组长Anton Goloborodko博士

当我们想到染色体时，我们中的许多人会想象高中生物学中熟悉的X形结构，这些结构可以在有丝分裂过程中的细胞分裂中观察到。这些结构是细胞生物学中最具标志性的结构之一。更重要的是，它们的精确形成对于细胞分裂和DNA从一代细胞传递到下一代细胞至关重要

在这些微小的X形染色体中，每对都是称为染色单体的小对姐妹DNA分子，它们是在有丝分裂过程中复制DNA以准备细胞分裂时产生的染色体的相同一半。在着丝粒处连接的染色单体有几厘米长，但被细胞压缩到只有几微米长。（细胞分裂后，每个细胞有92个姐妹染色单体。）然而，150多年来，细胞如何将这些微小的DNA链折叠成致密、复杂的结构一直是细胞生物学家和遗传学家的一个谜

Dekker和其他人在过去40年的工作表明，在每个染色单体中，DNA折叠成一系列环，两个姐妹染色单体沿着它们的长度相互连接。这些DNA环是由一组称为内聚蛋白和凝聚蛋白的分子机器在细胞中产生的，它们负责结合DNA，然后以极快的速度泵出染色质环

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Dekker及其同事开发了一种名为Hi-C的基因组分析技术，用于研究基因组的三维组织和染色质相互作用，高分辨率成像、基因组学、蛋白质组学和聚合物建模，Dekker和同事们已经开始回答这些重要问题

系统生物学助理教授、该研究的共同第一作者Johan Gibcus博士解释说：“我们发现这些机器会挤出环，当它们这样做时，它们会以每秒2-3千碱基的极高速度沿着染色体奔跑。更重要的是，我们发现了一组简单的优先级，定义了这些快速移动的机器之间的相遇是如何被细胞解决的。”

据Gibcus博士说，在细胞分裂的有丝分裂阶段，四种不同的环挤出机器同时沿着染色体作用：两种粘聚体机器和两种凝聚体机器。在间期，第一台内聚蛋白机器沿着基因组挤出环

然而，当细胞进入有丝分裂时，凝结蛋白机器也开始挤出环。当凝聚蛋白机器不可避免地遇到凝聚蛋白机器时，凝聚蛋白机器会从染色体上移除凝聚蛋白机器，并愉快地继续前进，沿着基因组挤出环

接下来，第二种类型的内聚蛋白机器将两个姐妹染色单体结合在一起，大约是基因组中每百万个碱基中的一个。当一台凝聚机遇到这些第二台凝聚机时，它只是跨过它并继续挤出。因此，姐妹染色单体在凝聚蛋白机器产生的环的顶端保持相互连接

最后，当冷凝机在挤出环路时遇到任何其他冷凝机时，它们只需停止并保持。因此，每个染色单体都被折叠成连续的环状阵列 More information: Kumiko Samejima et al, Rules of engagement for condensins and cohesins guide mitotic chromosome formation, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adq1709

Journal information: Science