颠覆!庄小威团队发表《Cell》揭示人类染色体3D结构成像

医药

在高中课本中,人类的染色体被描绘成X形,就像两个热狗卡在一起。但是,这些结构并不准确。Jun-Han Su说,“在90%的情形下,染色体并不是这样存在的。”

颠覆!庄小威团队发表《Cell》揭示人类染色体3D结构成像

利用多重荧光原位杂交和超分辨率显微镜制作出的彩色染色质图像,图片来自XiaoweiZhuang lab。

对于所有的生物来说,“创造”出的新细胞来取代那些衰老的细胞是维持生命的必要过程。为此,细胞会通过分裂并复制DNA来做到这一点。DNA“居住”在染色体内部,被染色质(染色体内部的物质)所包围。

一个长链DNA如果呈直线延展,可以延伸到约达到6英尺。为了将自己“封装”进染色体这种复杂的结构中,长长的DNA需要借助组蛋白让自己缠绕成紧密的结构,当DNA在复制或重新缠绕的过程中出现了任何错误,都有可能导致基因突变或功能障碍。因此,理解包围这些DNA的染色质的3D构造、这些构造背后的分子机制,以及它们如何调节基因组的功能是非常关键的。

但是,放大到足以看到染色质结构是困难的,同时观察结构和功能则更加困难。如今,在一项新的研究中,来自哈佛大学霍华德休斯医学院庄小威教授领导的研究团队将之前标志性的“X”变成了更复杂且更精确的3D结构成像,这将有助于科学家们解开染色体结构如何影响基因组功能的谜团。

相关研究结果近期发表在Cell期刊上,论文标题为“Genome-Scale Imaging of the 3D Organization and Transcriptional Activity of Chromatin”。

颠覆!庄小威团队发表《Cell》揭示人类染色体3D结构成像

利用这种新的高分辨率三维成像方法,庄小威团队开始从46条染色体的广角镜图像和每条染色体的一个部分特写镜头构建染色体图谱。为了对一些因太小而不能成像的东西进行成像,他们沿着每条DNA链捕捉可以连接的位点。通过将这些位点连接在一起,他们可以形成全面的染色质结构图。

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图片来自Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.07.032。

但有一个问题,庄小威教授说,此前,他们能成像和识别的位点数量受限于他们能一起成像的颜色数量。有三个位点无法构建出全面的染色质结构图。

于是,庄小威团队想出了一个循序渐进的办法:对三个不同的位点进行成像,淬灭信号,然后快速连续地对另外三个位点进行成像。通过这种技术,每个位点都能得到两个识别标志:颜色和图像轮次(image round,即第几轮成像)。庄小威教授说,“同时对60个位点进行成像和定位,还可对它们进行识别。”

不过,为了覆盖整个基因组,他们还是需要更多的位点,因此,他们转向了一种已经用于组装和存储大量信息的语言:二进制。通过将二进制条形码印在不同的染色质位点上,他们可以对更多的位点进行成像,并在之后对它们的身份进行解码。比如,一种在第一轮成像但没有在第二轮成像的分子会得到一个以“10”开头的条形码。利用20位条形码,该团队只需20轮成像就能区分2000种分子。庄小威教授说,“通过这种组合方式,我们可以更快地增加被成像和识别的分子数量。”

通过这种技术,该团队对每个细胞约2000个染色质位点进行了成像,这比他们之前的研究增加了十多倍,从而足以形成染色体的结构在其天然环境中的高分辨率图像。但他们并没有止步于此,他们还对转录(DNA经转录产生RNA)以及核斑点(nuclear speckle)和核仁之类的亚细胞核结构进行了成像。

科学家们已经知道染色质被分成了不同的区域(比如沙漠和城市)。但这些区域在不同类型的细胞中是什么样子的,它们是如何运作的,仍然是未知数。通过他们的高分辨率图像,庄小威团队确定,含有很多基因的区域倾向于与任何一条染色体上的类似区域聚集在一起。但是,含有较少基因的区域仅在它们位于同一条染色体上时才会聚集在一起。一种理论认为,富含基因区域是基因转录的活跃场所,它们像工厂一样聚集在一起,以实现更高效的生产。

虽然,在证实这一理论之前还需要开展更多的研究,但如今有一点是肯定的:局部染色质环境会影响转录活性;结构确实会影响功能。庄小威团队还发现,没有两条染色体看起来是一样的,即使在完全相同的细胞中也是如此。要想发现人体每个细胞中的每条染色体是什么样子的,需要开展的研究工作远远超过单个实验室能够单独承担的范围。

庄小威教授说,“我们需要建立在很多实验室研究工作基础上,才能有一个全面的了解。”

参考资料:

1.Jun-Han Su et al. Genome-Scale Imaging of the 3D Organization and Transcriptional Activity of Chromatin. Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.07.032.

2.Chromosomes look different than you think

https://phys.org/news/2020-11-chromosomes.html

本文来源自生物谷,更多资讯请下载生物谷APP(http://www.bioon.com/m/)