Mol Cell：储棂椤等绘制有丝分裂染色体的3D地形

来源：BioArt

作为遗传物质的载体，染色体是在细胞有丝分裂期出现的高度组织化的结构。该结构自19世纪70年代Flemming在显微镜下观测以来，一直为科学家们所痴迷。随着方法的改进和技术的进步，人们可以利用各种手段对它进行研究，从而也提出各种染色体模型。其中比较有名的是螺旋状盘绕模型。

图1. 螺旋盘绕模型和难题

该模型主要来自固定染色体的图像（【1-3】;图1A）。Laemmli的开创性工作对此给予了有力的支持【4,5】，他们的EM图像表明，染色质环是从螺旋线绕轴径向放射出的，即通过单个线性螺旋线的螺旋绕线回路/轴阵列（图1B）。最近，分子染色体构象捕获（HiC）数据显示基因组远距离的序列处于紧密的物理接触中【6】。与Laemmli模型类似，此效果的建模暗示着从相对笔直的轴径向出现连续的环，就像从中央支杆出来的螺旋形楼梯的台阶一样（图1C）。所有使用单个染色单体螺旋卷绕的模型都会引起一个基本难题：沿着单个染色单体的这种卷绕如何适应紧密关联的（链接的）姐妹染色单体的存在（图1D）？这个问题没有得到解答。

2020年8月6日，Molecular Cell在线发表了题为"The 3D Topography of Mitotic Chromosomes” 的研究论文。

该研究通过对活细胞和固定的哺乳动物细胞中的染色体进行了高分辨率3D荧光成像，发现并证实了姐妹染色体之间桥的存在；同时对染色质和轴质心路径进行形态学分析，揭示了染色体如何压缩同时又保持姐妹染色单体的紧密平行排列的难题。

通过对主要染色体轴成分拓扑异构酶IIα（TopIIα）的3D成像，该研究发现姐妹染色单体通过轴间桥连接。该桥于晚前期（late prophase）与姐妹染色单体个体化相伴而生，并维持到早后期（early-anaphase）（图2A）。它们沿染色体均匀分布，在相邻桥之间的距离约为400nm （图3D），姐妹染色体桥的数量随着染色体缩短而减少，但仍保持其特征性均匀间隔。姐妹染色体桥还包含其他已知的后前期（post-prophase）轴组分：condensins，SMC5/6，HMG-I/Y，cohesin以及DNA构成。考虑到它们的组成，这些DNA /结构桥被认为是“微型轴”。

图2. 桥的周期轮廓

姐妹染色体桥的发现明显挑战了有丝分裂染色体呈螺旋状盘绕的学说。该研究通过可视化染色质，以及根据TopIIα轴形状定义了它们的质心路径，重新研究了致密前中期/中期染色体的组织（图3A和3B）。结果发现轴路径基本上是平面的，并且是由交替手性（红色：左手螺旋/蓝色：右手螺旋）的约半螺旋段的连续阵列组成。这种模式还具有规则间隔的扭结（白点），这种扭结经常（但不总是）出现在手性变化的位置，并且伴随着相邻段彼此相对旋转的趋势（图3B）。半螺旋线段的长度约为200nm （图3C），具有较长长度的线段子集，并且左手手性和右手手性结构以相同的频率出现（图3B和3E）。轴路径总体上在拓扑上是 “中性” 的，净扭曲为零，并且没有任何全局螺旋缠绕。

图3. 染色体轴质心分析

等距桥是个很有意思的现象。该研究对中前期（mid-prophase）到晚前期（late prophase）转变过程中染色体轴的形态进行了分析，发现染色体轴是经历了一个由平滑到曲折，再到产生“气泡” （bubbles），最终形成桥的过程（图4A，4B和4C）。