科研動態 I 染色體骨架和達芬奇樓梯

細胞如何將纏繞的DNA組裝成整齊的染色體？

這是科學家第一次看到蛋白質能鉗住DNA環，並把DNA捆起來進行細胞分裂。這一發現進一步證實了基因組的摺疊方式會影響基因的表達。

作者Jordana Cepelewicz

譯者 xiuxian

Anton Goloborodko博士提供

一個分裂期細胞染色體橫截面的示意圖，指環狀蛋白分子將DNA摺疊為整齊的從中心軸呈放射狀排列的線圈。

人體細胞核內裝著長達兩米的螺旋狀DNA，分為46條纖細的雙螺旋分子，即染色體。大部分時候，DNA看起來就像一團纏繞的毛線球——鬆散、無序且混沌。然而，當細胞必須把自己的遺傳物質複製成兩份時，這種混亂會對細胞的有絲分裂造成威脅。

在有絲分裂的準備階段，細胞會把DNA包裹成緻密的類似香腸的棒狀結構，這是染色體最為人熟知的形式。科學家透過顯微鏡觀察到這一現象已有幾十餘年：DNA逐漸變短變粗，濃縮並組裝成分離的單元。但是，基因組如何摺疊進入棒狀結構仍然是一個謎，顯然它不僅僅是簡單地收縮體積。「這是遺傳學真正的核心問題，」Job Dekker說，他是馬薩諸塞大學醫學院的生物化學家，「遺傳的一個基礎特徵始終是一個巨大的難題。」

為了解決這個難題，Dekker與MIT的生物物理學家Leonid Mirny，蘇格蘭愛丁堡大學的生物學家William Earnshaw開展合作。他們結合成像、建模和基因組的技術來研究濃縮的染色體是如何在有絲分裂過程中形成的。他們推測，存在兩種蛋白質複合物能夠沿著一條螺旋的脊線將DNA連續組裝成緊密的環狀陣列。他們的文章近期發表在Science上，緊接著一個歐洲的團隊用實驗部分證明了他們的結論。

圖片來源：DOI: 10.1126/science.aao6135

當一個細胞準備分裂的時候，它的DNA會濃縮成分離的棒狀結構，這是染色體最具標誌性的形狀。這可以從標記的染色體在細胞中變化的延時攝影看到。對這一過程成像的測量，配合建模和基因組技術，讓研究人員能夠解釋染色體是如何進行摺疊的。

科學家收集每分鐘染色體的數據——使用顯微鏡觀察它們的變化，並用Hi-C技術來描繪基因組內的幾對序列之間發生互相作用有多頻繁。然後用計算機建模對數據進行匹配，從而計算出染色體在濃縮過程中的三維路徑。

科學家通過模型推測，在有絲分裂的準備階段，有一種叫condensin II的環狀蛋白質分子會結合在DNA上。它由兩個相連的馬達分子組成，這兩個馬達分子沿著DNA鏈朝彼此相反的方向移動，並一直保持連接在一塊，從而形成一個環（loop）；隨著馬達分子的持續移動，環變得越來越大。（為了給我演示這一過程，Mirny用雙手攥住一條電腦的電源線，他把一隻手並向另一隻手，然後不斷地彎出環來。）當有成千上萬個蛋白質同時做這一動作，就可以產生許多環。指環狀的蛋白質位於每一個環的根部，這種蛋白質在環形成的部位形成中央骨架，而染色體就能變得越來越短、越來越緻密了。

這些結論都支持一個叫做環擠壓（Loop Extrusion）的理論，這是以前人們為了解釋DNA如何進行包裝而提出來的。（Mirny認為，環的擠壓還能防止染色體在複製時發生打結和纏繞。環狀結構具有讓姐妹染色單體相互排斥的功能。）但是科學家接下來的觀察到的結果更令人驚訝，並為他們豐富和補充了「環擠壓假說」更多的細節。

Anton Goloborodko博士提供

根據研究人員的模型，染色體摺疊過程的一個關鍵特徵是形成嵌套環（nested loops）。首先，指環狀馬達蛋白（紅色）結合在DNA鏈上並擠出一個環。隨後，另一個蛋白質（藍色）在前一個環的基礎上又擠出一個環出來。當有許多這種分子在整條DNA鏈上同時起作用，染色體最終完成壓縮。

有絲分裂開始大約10分鐘後，用來保持染色體聚集在一起的核膜發生裂解，另一種指環狀馬達蛋白condensin I有機會結合到DNA上。這些分子在已產生的環上繼續擠壓出新環，通常會將一個環再分成五個更小的新環。以這種方式嵌套的環能讓染色體變得更加嚴密，並避免讓起始的環變大到足夠發生配對和互作。

大約15分鐘，當這些環形成的同時，通過Hi-C數據發現了一些出乎研究者意料的結果。通常，沿著DNA鏈緊密排列的序列更有可能發生互作，而相距較遠的序列則不太可能發生。但是他們的測序結果表明「DNA會以圓圈的形式再次出現，」Mirny說。也就是說，當兩段序列之間一旦拉開距離變遠後，它們之間還是有可能發生互作。「當我們第一眼看到數據時，很明顯感覺到這是之前從未有過的發現，」他說道。他的模型表明condensin II分子會組裝成一個螺旋狀的骨架，樣子就像著名的法國香波城堡（Chambord Castle）內的「達芬奇樓梯（Leonardo Staircase）」。嵌套的DNA環向外輻射，就像是螺旋骨架上的台階，這些台階緊貼著包裹在用來表示染色體的圓柱狀結構內。

圖片來源：Thingiverse

達芬奇樓梯（Leonardo Da Vinci Stairs）的3D模型。

「所以這一個步驟立馬解決了三個問題，」Mirny說。「它製造出一個中央骨架，可以線性地調整染色體的結構。而且用這種方式可以把DNA壓縮成一個細長的物體。」

「這讓我們很意外，」Dekker說——不光是因為這是第一次觀察到DNA環會沿著一條螺旋軸旋轉，還因為這一發現會引發更為基本的爭論。換句話說，DNA難道僅僅是一系列的環，或者DNA環真的盤繞嗎？如果盤繞的話，是不是整條染色體都會壓縮成一個大環，抑或只有內部的骨架才會形成大環？（新的研究發現支持後者；研究人員認為之前的螺旋相關的猜測是實驗失誤，分離染色體的操作在一定程度上會造成DNA過度盤繞。）「我們的計算機模擬工作和人們多年來收集到的大量觀察結果一致，」Dekker說。

「這項（分析）工作提供的清晰程度是革命性的，」Nancy Kleckner說道，她是哈佛大學的分子生物學家。「它把我們帶進了理解染色體如何在晚期階段組裝的新紀元。」

Anton Goloborodko博士提供

一系列的示意圖表現了如何形成一個壓縮的染色體的過程。指環狀馬達蛋白（紅色）形成了一個螺旋狀的腳手架。摺疊的DNA環從螺旋軸發散出來從而緊密摺疊成一個圓柱體結構。

該領域的其他專家認為，這些結果並不令人驚訝，相反認為該研究提供的細節更值得注意。法國索邦大學的生物物理學家Julien Mozziconacci表示，研究人員描述的一般染色體的組裝過程實際上還是未知的。他認為這項工作更新穎的方面在於研究人員收集的Hi-C數據是時間的函數，這使得他們能夠確定具體的約束條件，例如DNA環和螺旋彎曲的大小。「我認為這是一篇技術傑作，讓我們第一次看到我們過去想像中的染色體的樣子，」他說。

然而，Dekker還是擔心，儘管一段時間以來人們已經知道凝集蛋白（condensin）參與這個過程——並且即使事實上他的研究小組現在已經鑒定出這些「細胞中用來摺疊染色體的分子手臂」具有更多特定的功能——但是科學家仍然不明白這些蛋白質是如何做到的。

「如果凝集蛋白是以這種方式組織有絲分裂時期的染色體，那麼它們具體是如何做到的？」Kim Nasmyth說，他是牛津大學的生物化學家及環擠壓假說的創始人。「在我們知道分子機制以前，還不能確切地說是否凝集蛋白一定是導致所有這一切現象的那個蛋白質。」

Cees Dekker實驗室提供 代爾夫特理工大學（TU Delft）

德國和荷蘭的科學家們現在觀察到一個分離的凝集蛋白將酵母DNA擠壓出環，如圖所示。凝集蛋白使DNA環閉合，並從一端絞進更多的DNA鏈，從而使得DNA環變大。

德國歐洲分子生物學實驗室的生物化學家Christian H?ring和荷蘭代爾夫特理工大學的生物物理學家Cees Dekker攜手從事這方面的研究。去年，他們和合作者第一次直接證明了凝集蛋白會在測試管道（test tube）中沿著DNA鏈移動——這是擠壓環假說成立的必備條件。在今年2月22日的Science雜誌上，他們報道了在酵母中實時觀察到分離的凝集蛋白擠壓出DNA環的現象。「我們終於有了這一現象的視頻證據」，H?ring說。

而這一現象的發生過程幾乎就和Mirny和他的團隊預測的一樣：會形成更大的環——只有在體外實驗中，環的形成是不對稱的：凝集蛋白停靠在DNA鏈上並只從其中一端開始盤繞，而不是像Mirny最早假設的是盤繞是雙向進行的。（由於實驗中研究的凝集蛋白來自酵母，並且一次只檢查一個分子，所以他們既不能證明也不能證偽Mirny的模型的其他方面，即嵌套環和螺旋支架的存在。）

一旦研究人員完全解開它的生物化學過程——並就染色體如何解壓縮進行類似的研究——Job Dekker和Mirny認為他們的工作會有一系列的實際和理論應用。舉一個例子，這項研究可能會應用為潛在的癌症療法。癌症細胞分裂速度快，頻率高，「因此就我們對這一過程所知的內容可以幫助我們特異性地瞄準那些癌細胞，」Dekker說。

這還可以提供一種視野，去看在那些還沒有分裂的細胞中染色體發生了什麼變化。「我相信這項工作對於細胞和染色體之間關係是有廣泛應用的，」Job Dekker說。他和同事正在研究一種和凝集蛋白具有很近親緣關係的蛋白質叫做黏連蛋白（cohesin），它會幫助組裝基因組並且在DNA還沒有被壓縮的時候促進DNA環的形成。這種摺疊過程會影響基因的表達。環擠壓過程基本上會讓多個基因座排在一起，簡單地講，就是在DNA環的擴張或收縮過程中——在基因表達的期間同時還在發生著什麼，即當一個基因必須和一個可能位於染色體上距離很遠的調控元件進行物理接觸的時候。「我們現在有了如此強大的一個系統來研究這一過程，」Dekker說。

「我認為在細胞周期（cell cycle）的不同時期，我們研究的胞內物質之間存在著極大數量的協同作用，」Geoff Fudenberg補充說，他是加州大學舊金山分校的博士後研究員，曾經在Mirny實驗室工作過。理解在有絲分裂過程中染色體如何經歷了一個「奇妙的轉變」，他說，當細胞還沒有分裂且細胞的一些活動仍未知時，這項研究有可能揭示出更多表面之下的的東西。

Mirny指出，這種摺疊方式可能幫助提供審視其他發生在細胞內過程的視角，這些過程包括在形狀或結構上的主動改變。蛋白質的摺疊主要靠蛋白間的相互作用，而細胞的運動過程會在細胞質中製造出細胞骨架。「現在我們傾向於相信染色體可能是一種介於兩者之間的狀態，」Mirny說。「我們需要更深入的理解這些不同類型的主動式系統（active system）是如何自我組裝創造出複雜的模式和重要的結構。」

在這之前，研究人員必須證明和充實他們提出的解決方案，以期解決Job Dekker所說的「難題」。Kleckner也抱有很高的期望。「這項工作為全新思考什麼可能會發生奠定了基礎」，她說。

參考文獻：

J. H. Gibcus, K. Samejima, L. Goloborodko, I. Samejima, N. Naumova, J. Nuebler, M. T. Kanemaki, L. Xie, J. R. Paulson, W. C. Earnshaw, L. A. Mirny, J. Dekker, A pathway for mitotic chromosome formation. Science 359, eaao6135 (2018).

M. Ganji, I. A. Shaltiel, S. Bisht, E. Kim, A. Kalichava, C. H. Haering, C. Dekker, Real-time imaging of DNA loop extrusion by condensing. Science 359, eaar7831(2018).