細胞分裂時怎麼「打包」染色體?新機制發現染色體緊縮以防穿孔

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奧地利科學院分子生物技術研究所(Institute of Molecular Biotechnology of the Austrian Academy of Sciences, IMBA) Gerlich 小組發現了一種分子機制,為正在分裂的人類細胞中染色體賦予了特殊物理特性,使其能夠被穩妥地傳遞給後代。

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新發現的分子機制賦予染色體抵抗微管穿孔的能力

細胞在分裂過程中,必須準確地將一個基因組(genome)拷貝運送到兩個子細胞中。為了確實執行基因組分離,需要將極長的染色體 DNA 分子「打包」成離散的小體,以便能被由由大量微管組成的紡錘體有效地載送移動。

過去研究發現,在細胞分裂過程中,染色質纖維會被緊縮蛋白(condensin)折疊成環狀,然而,光是緊縮蛋白的作用無法解釋為什麼染色體會呈現有尖銳表面的緻密體,而不是更為鬆散的結構。

儘管其他研究表明,組蛋白乙醯化(Histone acetylation)與調節細胞分裂過程中染色體緊縮(compaction)程度有關,但組蛋白乙醯化與緊縮蛋白間的相互作用,以及兩者功能的相關性仍不清楚。

透過最新研究,團隊認為他們已經在概念上理解這兩種機制:一切都與如何將染色體確實傳遞給後代有關。

緊縮蛋白與組蛋白乙醯化的相互作用

在《Nature》最新研究中,團隊改變了緊縮蛋白和組蛋白乙醯化的水平來觀察兩者的作用。結果顯示,去除緊縮蛋白雖然會破壞分裂時細胞內染色體的細長形狀,並降低它們對拉力的抵抗,卻不會影響它們的緊縮程度。但如果在緊縮蛋白耗竭同時增加組蛋白乙醯化水平,就會導致分裂細胞中的大量染色質分解,同時染色體出現被微管穿孔的情況。

基於觀察研究人員假設,在細胞週期的大多數時間裡,染色質都被組織成一種膨脹的凝膠,當進入細胞分裂過程乙酰化水平整體降低時,這種凝膠就被壓縮成不易溶解的形式,團隊隨後也將有絲分裂的染色體分成小塊,以進一步探測染色質的可溶解度。

觀察結果支持了一個模型,即當乙酰化水平在有絲分裂期間整體減少,染色質也就成為有著尖銳邊界表面、不易溶解的凝膠型態,為抵抗微管穿孔提供了物理基礎。研究人員在隨後實驗及觀察更發現,不易溶解的染色質形成了一種負電荷密集的結構,將帶負電荷的大分子和微管排除在外。

研究人員認為,此研究展示出一致的觀點,即染色質會透過緊縮蛋白形成的 DNA 環與組蛋白乙醯化對緊縮的驅動,來影響有絲分裂染色體的材料特性和機械功能。未來若能觀察染色質如何使材料特性適應其他與緊縮相關的生理過程,像是細胞凋亡(apoptosis),將會是非常有趣的事。

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參考資料:

1.Nature, 2022,https://www.nature.com/articles/s41586-022-05027-y

2.https://www.oeaw.ac.at/imba/research-highlights/news/sciencechatimba-how-the-genome-is-packed-into-chromosomes-that-can-be-faithfully-moved-during-cell-division

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