自從科學家首次在顯微鏡下觀察到染色體以來，一個持續了136年的生物學之謎就是染色體在有絲分裂過程中是如何折疊的。

如今，基因組折疊有了新的腳本。一種新的分步解釋顯示了細胞如何快速將長染色體纏結包裝成細胞分裂所需的緊密纏繞的微小染色體束，時間分辨率為幾分鐘。美國霍華德休斯醫學研究所和其他研究機構的研究人員報告說，細胞將染色體卷成環狀結構，然后將這些環狀結構纏繞成梯形螺旋結構。相關研究成果于2018年1月18日在線發表在《科學》雜志上。論文題目是“有絲分裂染色體形成的一條途徑”。

在計算機模型中，濃縮染色體的輪廓顯示，較小的環結構成束地組裝成較大的環結構(彩虹色)，這些較大的環結構通過濃縮蛋白的環(中間、深藍色和紅色)結合在一起。圖片來自Anton Goloborodko。

論文合著者、霍華德休斯醫學研究所研究員約伯德克爾(Job Dekker)說，“這是遺傳學最基本的過程。”如果這種包裝出了問題，染色體就會斷裂，最終進入錯誤的地方——這是癌癥的一個特征。這項新研究解開了這個生物學之謎。

大多數時候，我們細胞中的染色體像散紗一樣松散在細胞核中。德克爾說，分散的染色體鏈看起來像斑點。但是在有絲分裂過程中，當我們的細胞準備分裂成兩個子細胞并將遺傳物質交給這些子細胞時，染色體卷曲，大約六英尺的DNA被打包成微小的包。德克爾說，細胞可以很容易地將這些濃縮的X形腫塊運輸到其子細胞中。然后，染色體再次松動，回到斑點結構。

科學家們之前已經弄清楚了細胞是如何產生這些松散分散的染色體的。四年前，德克爾和他的同事報告了緊密包裝的染色體的結構——一系列連續的環狀結構。但是，他說，最大的問題是細胞如何快速地從一種狀態轉換到另一種狀態，以及如何快速地轉換回來。他說：“整個過程需要10到15分鐘。這太不可思議了。”

這也是一個熱議的話題。一些科學家認為細胞將其染色體扭曲成螺旋結構，而另一些科學家認為細胞只是填充這些圓形結構。

德克爾與愛丁堡大學惠康基金會細胞生物學中心的威廉恩肖(William Earnshaw)和麻省理工學院的列昂尼德米爾尼(Leonid Mirny)及其同事一起，利用基因技術使實驗室中的雞細胞保持同步，以便它們都在同一時間開始包裝自己的染色體。隨后，這些研究人員在不同的時間點拍攝了這些染色體的照片。

在幾分鐘內，這些研究人員能夠觀察到像果凍一樣的DNA團塊被組裝成繩狀桿。

接下來，這些研究人員將這些染色體固定在適當的位置，從而固定了各個染色體鏈接觸的所有位置。分析這些接觸部位的DNA序列將為他們提供染色體結構的線索。

這些數據，加上這個折疊過程的計算機模擬結果，讓這些研究人員可以測試染色體將如何從叢狀結構轉變為繩狀桿狀結構的預測。德克爾說，“因為這些結構完全不同，你會想，‘哦，這一定是一個非常復雜和困難的過程。’"

但事實上，這些研究人員發現，這個轉換過程只需要簡單的幾步。被稱為condensin蛋白質的小環形蛋白質馬達推動幾碼染色體穿過它們自己的環，形成環形結構。濃縮蛋白II將染色體編織成一系列寬的環狀結構，然后另一種叫做濃縮蛋白I的蛋白質將這些較大的環狀結構分裂成較小的環狀結構。然后這些環狀結構(數百條染色體)像螺旋樓梯一樣扭曲。

德克爾說，這種優雅而高效的包裝策略可能解釋了細胞如何在分裂時反復如此可靠地綁定其染色體。

這項新研究有望統一此前關于有絲分裂期間染色體折疊的兩種相互矛盾的觀點。德克爾說，染色體可以組裝成一系列環狀結構，但也可以是螺旋結構。他說，“我認為這很令人滿意。我總是努力保持一致性。如果你面對的數據集可能告訴你兩件不同的事情，你能找到一種方法讓它們都正確嗎？”

原標題：科學：136年來，有絲分裂時染色體折疊之謎終于被解開。

參考資料：Johan H. Gibcus, Kumiko Samejima, Anton Goloborodko et al. A pathway for mitotic chromosome formation. Science, Published online:18 Jan 2018, doi:10.1126/

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