科学家发现在分裂人类细胞时赋予染色体特殊物理特性的分子机制

2022年08月04日 08:37 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

科学家们发现了一种分子机制,它赋予正在分裂的人类细胞中的染色体以特殊的物理特性,使它们能够忠实地传送到后代。研究小组展示了一种化学修饰如何在染色体上建立一个尖锐的表面边界,从而使它们能够抵御纺锤体微管的穿孔。研究人员来自奥地利科学院分子生物技术研究所(IMBA)的Gerlich研究小组,他们的发现于8月3日发表在《自然》杂志上。

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在细胞分裂过程中,必须精确地将一个基因组拷贝运送到两个子细胞中的每一个。忠实的基因组分离需要将极长的染色体DNA分子包装成离散的体。这使得它们能够被有丝分裂纺锤体有效地移动,这是一个由成千上万的微管组成的丝状系统。IMBA的Gerlich研究小组的新发现揭示了有丝分裂染色体如何抵抗微管产生的持续推拉力。IMBA小组负责人Daniel Gerlich说:“在这个复杂的系统中,通过改变组蛋白乙酰化的水平赋予染色体不同的物理特性,这是染色质纤维内的一种化学修饰。”

之前的研究表明,在分裂的细胞中,染色质纤维被一种叫做凝集素的大型蛋白质复合物折叠成环状。然而,单单是凝集素的作用并不能解释为什么染色体会呈现为具有尖锐表面的致密体,而不是类似于瓶盖的松散结构。一些研究表明,组蛋白乙酰化在调节细胞分裂期间的压实程度方面发挥了作用,但组蛋白乙酰化与凝集素的相互作用及其功能相关性仍不清楚。Gerlich说:“通过我们的工作,我们现在能够从概念上拆分这两种机制。”

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科学家们改变了凝集素和组蛋白乙酰化的水平,以研究它们的精确影响。去除凝集素破坏了分裂细胞中染色体的修长形状,降低了它们对拉力的抵抗力,但并不影响它们的压实程度。将凝集素的耗竭与增加组蛋白乙酰化水平的处理相结合,在分裂的细胞中引起大量的染色质解压,并使染色体被微管穿透。

研究小组假设,在整个细胞周期的大部分时间里,染色质被组织成一个膨胀的凝胶(当它的乙酰化程度相对较高时),而在细胞分裂期间,当乙酰化水平全面下降时,这种凝胶被压缩成不溶性的形式。然后他们开发了一种检测方法,通过将有丝分裂的染色体分割成小块来探测染色质的可溶性。有丝分裂染色体的片段形成液态染色质的液滴,但当乙酰化水平提高时,染色质片段就会溶解在细胞质中。这些观察结果支持一个模型,即有丝分裂期间染色质乙酰化的全面减少建立了一个具有尖锐相界的不融合的染色质凝胶,为抵抗微管穿孔提供了一个物理基础。

通过涉及体外重组的纯染色质的进一步实验,以及通过探测各种可溶性大分子对染色质的访问,研究人员发现,不融合的染色质形成了一个密集的负电荷的结构,排除了带负电荷的大分子和微管。

“我们的研究表明,凝集素复合体的DNA环是如何与染色质相分离过程合作的,以建立有丝分裂染色体,抵抗纺锤体施加的拉和推的力量。”Daniel Gerlich总结说:“因此,细胞分裂过程中组蛋白的去乙酰化赋予了染色体独特的物理特性,这是染色体的忠实分离所需要的。”

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