利用三維建模技術(shù)、先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬以及新一代測(cè)序技術(shù)，；來(lái)自麻省大學(xué)醫(yī)學(xué)院（UMMS）和麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員解決了自1878年Walther Flemming在光學(xué)顯微鏡下觀察到染色體以來(lái)，長(zhǎng)期存在的一個(gè)爭(zhēng)議問(wèn)題。

在發(fā)表于《科學(xué)》(Science)雜志上的一篇論文中，UMMS教授Job Dekker博士和同事們提供了新的證據(jù)表明，凝縮有絲分裂染色體其組織及結(jié)構(gòu)的一般原理具有高度適應(yīng)性，且為所有細(xì)胞共有。這一對(duì)于細(xì)胞分裂過(guò)程中染色體組裝與去組裝機(jī)制的新認(rèn)識(shí)，將使得研究人員能夠開(kāi)始解答一些有關(guān)表觀遺傳，以及染色體病和癌癥一類的人類疾病的基本問(wèn)題。

Dekker博士說(shuō)：“在過(guò)去的幾十年里，有關(guān)染色體內(nèi)部DNA組織機(jī)制的一些理論一直存在沖突。我們現(xiàn)在獲得了一種模型，將這一看似矛盾的數(shù)據(jù)并入其中，指出了所有細(xì)胞類型凝縮染色體組織的單一的簡(jiǎn)單過(guò)程。利用這一知識(shí)，我們可以開(kāi)始探究一些關(guān)于遺傳運(yùn)作機(jī)制，以及當(dāng)這一過(guò)程出錯(cuò)時(shí)所發(fā)生的事件的非常特殊的問(wèn)題?！?SPAN lang=EN-US>

緊密纏繞及細(xì)長(zhǎng)的染色體所具有的經(jīng)典X形結(jié)構(gòu)，是得到最廣泛認(rèn)可的一種細(xì)胞生物結(jié)構(gòu)，在顯微鏡下可以輕易地看到它，因而數(shù)十年來(lái)它都是課本和科學(xué)文獻(xiàn)中常見(jiàn)的圖像。盡管這一結(jié)構(gòu)非常的普遍流行，顯微鏡研究的技術(shù)局限還是導(dǎo)致生成了一些競(jìng)爭(zhēng)性、解釋染色體內(nèi)部的DNA組織機(jī)制的模型。

正常狀態(tài)下，細(xì)胞的DNA分布在細(xì)胞核中一個(gè)較大的區(qū)域。在以往的研究工作中，Dekker和同事們指出沿著染色體的一些相互作用位點(diǎn)影響了基因表達(dá)，是導(dǎo)致不同的細(xì)胞類型三維組織存在差異的原因。但是為了能夠成功地分離及分配到每個(gè)子細(xì)胞中去，染色體需要緊密凝縮，巧妙包裝才能運(yùn)輸傳送至子細(xì)胞。

一套理論提出，長(zhǎng)DNA分子是分層盤(pán)繞為更厚的構(gòu)造，最終才形成香腸樣的有絲分裂染色體。另一套模型提出，DNA形成了一連串的環(huán)，然后附著到一個(gè)形成染色體骨架的線性軸結(jié)構(gòu)上。

不同的實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持了兩種模型，使得任何一個(gè)理論都無(wú)法得到確切的肯定或否定。為了分離出分裂中期的染色體3D結(jié)構(gòu)，作者們將過(guò)去10年來(lái)Dekker實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的一些染色體構(gòu)象捕獲技術(shù)（3C、5C和Hi-C）組合到一起，繪制了同時(shí)同步分裂的不同細(xì)胞類型中沿著有絲分裂染色體的接觸點(diǎn)。由此生成的復(fù)雜數(shù)據(jù)集為了解這些染色體的三維結(jié)構(gòu)和空間組織提供了骨架。

接下來(lái)，Dekker和麻省理工學(xué)院副教授Leonid Mirny領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，利用兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)有絲分裂染色體組織理論的DNA分子聚合物模型進(jìn)行了復(fù)雜的計(jì)算機(jī)模擬。連入每個(gè)模型進(jìn)行模擬，Dekker、Mirny和同事們發(fā)現(xiàn)他們的染色體構(gòu)象捕獲數(shù)據(jù)與經(jīng)典的、層次模型不一致。相反他們發(fā)現(xiàn)在分裂中期，染色體按兩階段過(guò)程進(jìn)行包裝。第一階段，從一個(gè)支架中延伸而出，線性壓縮染色體，形成了包含80,000-120,000個(gè)DNA堿基對(duì)的染色質(zhì)環(huán)。隨后，染色體軸向壓縮，就像一個(gè)壓縮的彈簧一樣，生成了簡(jiǎn)潔的、緊密折疊的包裝。

Dekker 說(shuō)：“每種細(xì)胞類型，無(wú)論是血液、皮膚或是干細(xì)胞都具有與基因表達(dá)和功能緊密相關(guān)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和組織。當(dāng)細(xì)胞開(kāi)始分裂時(shí)，這一結(jié)構(gòu)去組裝。與細(xì)胞類型相關(guān)的特異模式或組織被除去，形成普遍的有絲分裂染色體。這一過(guò)程導(dǎo)致了每個(gè)細(xì)胞中，染色體都是以一種所有細(xì)胞類型共有的方式進(jìn)行凝縮和再包裝，指出了細(xì)胞生物學(xué)的一個(gè)基本過(guò)程。”

 “當(dāng)你看向凝縮染色體時(shí)，它看起來(lái)是高度組織化的。但事實(shí)是這個(gè)過(guò)程存在很大的差異和變數(shù)，因?yàn)檫@些染色質(zhì)環(huán)是沿著染色體隨機(jī)形成，使得這一過(guò)程難以置信的強(qiáng)有力且極具適應(yīng)性。”

研究的主要作者之一，UMMS博士后研究人員Natalia Naumova說(shuō)：“我們沒(méi)有預(yù)料到染色體會(huì)以這種方式組織。這一隨機(jī)過(guò)程局部隨機(jī)，但在整體上導(dǎo)致了高度的穩(wěn)定性和強(qiáng)有力性，這是細(xì)胞成功進(jìn)行分裂的必要條件?！?SPAN lang=EN-US>

接下來(lái)，Dekker、Mirny和他們的研究小組將確定是什么確切地引導(dǎo)了染色體的去組裝和再組裝?！坝捎诖蠖鄶?shù)的轉(zhuǎn)錄在有絲分裂期基本停止，許多的蛋白質(zhì)脫離染色體，一定有一些東西對(duì)細(xì)胞分裂后對(duì)應(yīng)細(xì)胞類型的染色體重組裝負(fù)責(zé)。了解有絲分裂染色體組織將幫助認(rèn)識(shí)由染色體異常引起的癌癥或唐氏綜合征等疾病中什么出現(xiàn)了差錯(cuò)?！?SPAN lang=EN-US>