Cell | 纳米级DNA示踪技术揭示有丝分裂染色体的自组织机制

摘要：细胞分裂过程中，染色体经历复制并发生形态重塑，形成致密且刚性的棒状结构以确保其向子细胞正确分离。正常的有丝分裂染色体结构依赖于具有DNA环挤出功能的凝缩蛋白复合物。既往研究通过单细胞定量成像技术观测凝缩蛋白，或采用同步化细胞群的基因组DNA交联测序（Hi-C）

撰文 | 章台柳

细胞分裂过程中，染色体经历复制并发生形态重塑，形成致密且刚性的棒状结构以确保其向子细胞正确分离。正常的有丝分裂染色体结构依赖于具有DNA环挤出功能的凝缩蛋白复合物。既往研究通过单细胞定量成像技术观测凝缩蛋白，或采用同步化细胞群的基因组DNA交联测序（Hi-C）技术，提出了有丝分裂染色体结构的层级式DNA环模型。该模型预测两种凝缩蛋白异构体先将染色体DNA折叠成较大环状结构（约500 kb），进而分割为较小环状单元（约100 kb）。早期对分离染色体的电镜（EM）研究已提示有丝分裂染色质存在环状组织特征，但由于有丝分裂染色体中DNA的高密度堆积，迄今尚未能在原生固定细胞中直接观测其三维折叠构象。因此，有丝分裂染色体的原位内部组织结构仍属未解之谜，其高阶功能特性如何从分子尺度结构演化而来以实现基因组遗传，这一机制尚不明确。

近日，欧洲分子生物学实验室的Jan Ellenberg团队在Cell上发表了题为Nanoscale DNA tracing reveals the self-organization mechanism of mitotic chromosomes的文章，通过使用单细胞纳米级DNA示踪技术，首次实现了从单个DNA环到整条染色体尺度上，对有丝分裂过程中基因组三维结构动态变化的直接观测。结构分析揭示有丝分裂染色体存在6-8 Mbp的特征性基因组尺度下限。通过数据驱动建模与分子扰动实验相结合，发现由凝缩蛋白（condensins）形成的超大且高度重叠的DNA环，构成了有丝分裂染色体的基本结构单元。这些DNA环通过局部和全局的染色质压缩，最终达到染色质自身斥力设定的极限状态。在三维尺度观测到的有丝分裂DNA环特征性长度、密度及渐进重叠结构，完整阐释了棒状有丝分裂染色体如何通过自组织机制在细胞分裂过程中形成。

基于荧光的多重DNA原位杂交技术（DNA-FISH，即DNA示踪）可实现单细胞间期基因组结构的直接观测，但该方法依赖DNA的热酸变性处理，可能破坏基因组纳米级结构的完整性。研究组之前建立的温和型结构保护性DNA示踪技术（LoopTrace【1】），基于DNA单链切除原理，能实现染色单体原位纳米级高保真示踪。研究人员进一步改良LoopTrace方法，首次在单分裂细胞中实现了从千碱基到全染色体尺度的有丝分裂染色体结构可视化，并利用这些结构数据进行聚合物模拟，最终提出了有丝分裂染色体折叠的自组织模型。自组织机制由两种对抗性力学驱动：凝缩蛋白介导的DNA环挤出力与DNA自身斥力。

该模型的核心结构单元是平均长度为6-8 Mb的凝缩蛋白II（condensin II）介导的DNA环，这些DNA环以无间隙方式沿整个染色体DNA分子发生多重重叠。这种结构特性可显著缩短染色质聚合物的轴向长度，并在达到DNA自身斥力极限时强制其形成堆叠结构。值得注意的是，这种长重叠环的渐进式形成需要凝缩蛋白与DNA结合期间持续进行环挤出（processive loop extrusion）——这一现象已在体外实验中得到验证。酵母凝缩蛋白是严格单侧环挤出器，近期研究提出所有真核生物SMC蛋白均以单侧方式挤出DNA环，而黏连蛋白（cohesin）可通过方向切换实现有效的对称性挤出。人类凝缩蛋白则同时存在单侧和双侧挤出模式。实现有丝分裂染色体高效压缩所需的无间隙环重叠，其关键前提是凝缩蛋白马达的遍历，这一过程与环挤出的对称模式或非对称模式无关。因此，尽管在模型中采用了非对称挤出机制，但只要人类凝缩蛋白能够相互穿过，该模型同样兼容对称和非对称两种环挤出模式。结合起来，有界遍历和自由遍历共同使得DNA环能达到6-8 Mb的平均尺寸，从而复现出实验观测到的尺度下限。DNA环的多重重叠特性还解释了有丝分裂染色体形态的稳健性——即便单细胞间凝缩蛋白丰度存在显著差异。更重要的是，这种冗余重叠结构无需依赖连续的凝缩蛋白轴心，即可赋予有丝分裂染色体优异的机械弹性。

根据模型预测：从前期到中期，凝缩蛋白II通过形成逐渐增长且相互重叠的DNA环，在有效缩短染色单体长度的同时增加其宽度。相比之下，丰度更高但结合动态性更强的凝缩蛋白I复合物则会在这些大环内部形成短暂存在的小型DNA环，这些内嵌环引起染色质的侧向压缩并增强聚合物自身斥力。这种斥力反过来限制了凝缩蛋白II所能达到的最大纵向压缩程度，最终促使棒状有丝分裂染色体形态的形成。该模型由此为既往研究中观察到的现象——特异性敲除某种凝缩蛋白异构体会导致染色体整体形态改变——提供了机制性解释。

总之，研究通过对有丝分裂过程中基因组三维结构动态变化的直接观测，揭示出有丝分裂染色体的特征性形态是通过超大基因组重叠DNA环的挤出及其自身斥力作用共同形成的，揭示出有丝分裂染色体的自组织机制。

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00255-7

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参考文献

1. Beckwith, K.S., Ødega ̊ rd-Fougner, Ø., Morero, N.R., Barton, C., Schueder, F., Tang, W., Alexander, S., Peters, J.-M., Jungmann, R., Bir- ney, E., et al. (2023). Nanoscale 3D DNA tracing in single human cells visu- alizes loop extrusion directly in situ.

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