科學家繪製出在細胞中表演的複雜「芭蕾舞圖」

此前科學家已經解開了當細胞複製過程的不穩定程度超過一對染色體組(每一對染色體組都被稱為基因組)時這個過程的不穩定程度。在哺乳動物，包括人類，構成身體的細胞是二倍體，這意味著一個細胞包含一對染色體。非二倍體狀態會破壞細胞的特性，引發異常、癌症和其他嚴重疾病。在無性繁殖和癌症發展過程中，會產生單倍體(每條染色體的一組)和四倍體(每條染色體的四組)細胞，導致染色體變得不穩定。然而當細胞處於非二倍體狀態時，為什麼會發生這種不穩定性仍然是未知。在本研究中，研究人員使用了具有不同倍性狀態的人類細胞系（單倍體、二倍體和四倍體）來研究這些差異對細胞複製過程的影響。

在細胞分裂過程中，一個二倍體細胞(左)和一個單倍體細胞(右)分別顯示染色體的正常和異常取向(紫色)和微管(綠色)。圖片：Yaguchi K., et al.,Journal of Cell Biology, April 30, 2018

博科園-科學科普：在正常細胞中，有兩個中心體，它們是細胞複製的調節器。研究人員觀察到在單倍體細胞中中心體逐漸消失，在四倍體細胞中中心體頻繁重複，這兩種情況都在細胞複製過程中頻繁發生異常。此外研究人員發現，在單倍體細胞中，被稱為微管的細胞纖維較少，而在四倍體細胞中則較多。這是很重要的，因為這些纖維的數量被發現是改變質心複製效率的關鍵因素，導致質心丟失或過度複製。另一方面、DNA複製的效率，這是細胞複製的另一個重要步驟，保持不變，不管一個細胞的倍性。中心體複製和DNA複製周期之間不兼容可能是哺乳動物非二倍體細胞不穩定的根本原因，這些發現可以幫助理解癌症細胞中的染色體不穩定性，這些細胞通常處於非二倍體狀態，並導致新的癌症治療策略。

微管的數量(綠色)成比例地增加到倍性水平，改變了中心體複製的效率。圖片：Yaguchi K., et al.,Journal of Cell Biology, April 30, 2018

多年來科學家們一直在研究人類染色體及其攜帶的DNA，仔細研究構成每個細胞的遺傳密碼，以尋找從眼睛顏色到先天性疾病的一切線索。然而在一項新的研究中，科學家已經證明細胞內染色體的運動也可能對人類的特性和健康起作用。發表在《自然通訊》(Nature Communications)上的一篇論文中，得克薩斯大學奧斯汀分校(University of Texas at Austin)的科學家們繪製了染色體運動圖，利用計算機模型展示了數十億對DNA鹼基對如何在一個不可能被糾纏在一起的小空間中被包裹起來。首次發現這種運動是緩慢的，不同於一種細胞類型，甚至不同於同一類型的細胞。更好地理解這一運動可能對遺傳疾病、人類健康和基因編輯的研究具有重大意義。

這張圖展示了染色體的組織過程，染色體滴是在這個過程中形成的，作為染色體的基本包裝單位，結構由染色體的透明狀態維持，在這幅圖中，紅色和藍色分別是壓抑和活躍的位點。圖片：The University of Texas at Austin.

德州大學奧斯汀分校化學系主任戴夫?瑟魯馬萊(Dave Thirumalai)表示：選擇觀察的不是結構，而是動力學，不僅要弄清楚這些龐大的基因信息是如何打包的，還要弄清楚各種基因位點如何移動。我們知道這不僅僅是你需要擔心的遺傳密碼。如果運動的時機不對，可能會以功能性失常而告終。Thirumalai和馬里蘭大學的研究生、主要作者石廣(音)一起研究了兩種不同的染色體是如何運動的。在計算機模型中，一條染色體在複製後看起來就像一團未卷的紗線。慢慢地，染色體開始自我摺疊，形成染色體滴，經過複雜的摺疊，然後纏繞成一個球，即使在染色體到達這個緊緻階段後，移動仍在繼續。

研究發現染色體移動緩慢，這可能會對單個細胞或細胞群產生深遠影響，此外染色體不同區域以不同的速度運動。研究小組選擇觀察染色體5和10，繪製出它們的運動軌跡。5號染色體上發現的基因與某些形式的白血病、帕金森病和男性不育有關。10號染色體上的基因與血液病卟啉症的類型有關，惡性腦瘤，一種先天性耳聾。在這個模型中，很明顯每條染色體的運動都隨著細胞的不同而改變。例如一個細胞中的5號染色體可能和另一個細胞的5號染色體非常不同，也許移動得更慢。

這張照片既顯示了軌跡的相干運動，也顯示了軌跡的異質性動力學，主圖顯示了染色體位點的位移場。每個箭頭的長度和顏色表示軌跡運動的大小和方向，顯示了染色體內不同區域的相干運動。兩個小的數字顯示了快軌跡和慢軌跡的典型軌跡，它們的機動性可能非常不同，這兩個小數字顯示了個體基因座動力學的異質性。圖片：The University of Texas at Austin.

把DNA想像成一本有人類食譜的書，需要的信息在第264頁，閱讀代碼很容易，但我們現在知道，這本書正在穿越時空，這樣就很難找到264頁了。基因表達是一個動態過程，因為要在細胞中表達該生物或細胞中包含的所有基因，所以染色體的遠端區域就必須接觸。當細胞基因生物動力學表達動態過程被打斷時，會因關鍵基因表達失敗（不能正常表達）而死亡，或有可能會變成癌細胞。染色體相遇需要多長時間，何時相遇以及它們保持接觸的時間（這類研究揭示了這一點）可能會提高科學家對某些疾病的理解。研究人員希望繼續研究不同類型染色體的動力學，探索異常細胞，如癌細胞，是否有不同的動力學。如果癌細胞內的染色體有一些突變，如果移動方式不同，那將是非常有趣。

博科園-科學科普｜研究/來自：北海道大學，德克薩斯大學奧斯汀分校

參考期刊文獻 :《Journal of Cell Biology》,《Nature Communications》

DOI: 10.1083/jcb.201701151

DOI: 10.1038/s41467-018-05606-6

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