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Nature | 利用光镊技术研究活体染色体及相关蛋白—实现可视化人类有丝分裂期染色体的非线性力学研究

2022年5月4日,荷兰阿姆斯特丹自由大学的Gijs J. L. Wuite和丹麦哥本哈根大学的, Ian D. Hickson两个课题组合作在Nature发表了题为Nonlinear mechanics of human mitotic chromosomes的研究论文。此文是Chromavision合作项目的第一篇论文,本研究介绍了一个基于光镊技术来研究人类染色体组织的工作,在严格控制实验条件的前提下,实现了对天然中期染色体的高分辨率的力测量和荧光可视化。作者已经用这种方法广泛地描述了染色体的力学和结构。值得注意的是,他们发现在不断增加的机械载荷下,染色体表现出不同于经典聚合物模型预测非线性硬化行为。为了解释这种异常硬化,研究者引入了一个分层的类蠕虫链模型,该模型将染色体描述为非线性类蠕虫链的异质组装。此外,通过特异性诱导有丝分裂期TOP2A的降解,他们进一步为TOP2A在维持染色体压缩状态中发挥的作用提供了证据。本研究方法为探究正常状态和疾病相关染色体的结构和动力学打开了大门。


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真核细胞的染色体结构伴随着细胞的分裂周期发生显著的变化。在有丝分裂间期,细胞核DNA呈现一种弥散的状态并且无法辨别单个染色体。当细胞进入有丝分裂时,复制的染色体会压缩成紧凑的圆柱体结构,在中期会进一步成熟为包括两个姐妹染色单体的标志性X型染色体,其中姐妹染色单体通过着丝粒处连接在一起。随后当进入分裂后期和末期时,这些姐妹染色单体会在纺锤体的作用下分离进入新生的子细胞中。目前比较流行的染色体组织模型认为,连续的染色质环会形成螺旋阶梯状构象固定在中心蛋白支架上,并且凝缩蛋白I、II和TOP2A是有丝分裂染色体形成的关键因素。虽然凝缩蛋白也被证明是维持染色体压缩结构的重要组分,但关于TOP2A在这一过程中的作用存在仍然着相互矛盾的观点。


许多生物分子的力学和动力学已经通过使用原子力显微镜、磁性和光镊等微机械测量得到了证实。然而对于染色体的机械研究却很匮乏。通过用微移液管拉伸染色体分析,对两栖动物和人类染色体进行一系列的机械稳定性研究,发现通过施加纳牛顿范围内的力,染色体可以被可逆地拉伸到原来长度的五倍,并且凝缩蛋白的消耗会导致染色质的硬度降低。此外,Hi-C和超分辨率荧光显微镜的研究为染色体的结构和组织提供了重要信息。


本研究中,作者首先纯化了带有端粒末端生物素标记的染色体,通过端粒作为分子“柄”将染色体特异性附着到链霉亲和素包被的微球上。然后通过使用eGFP标记的组蛋白H2B的广域荧光荧光成像技术,识别单个姐妹染色单体和着丝粒,或着使用结合激活定位显微镜 (BALM) 的超分辨率成像技术,来观察被捕获的染色体。这些技术的使用使得单个荧光间隔器间歇性地与染色体结合的可视化。研究中采用的多种的成像策略使他们能够确认已知的染色体组织特征。光学操作使染色体的机械特征具有很高的分辨率。接下来,他们以小于0.2 µm s-1 的恒定速度将两个光学阱分开,记录了力的延伸曲线。发现在较大的力作用下,染色体


表现出明显的非线性硬化,随着染色体伸长的增加,作用力显著增加。此外,还通过评估力F对延伸量d的数值导数等量化染色体在高强度下的硬化。并利用微流变学测量不同的机械参数研究了异常行为lous是否反映了负载下的结构重塑。研究发现染色体在宽频率范围内具有主要的弹性力学响应,这与在这些时间尺度上发生的实质性动态重塑不一致。因此,他们将明显弱的幂律加强响应归因于染色体的内在非线性弹性响应。


进一步,为了捕捉染色体的异质性,他们提出了一种分层的类蠕虫链(HWLC)模型,利用‘degron’体系使TOP2A在分裂前期被耗尽,并对人类HCT116 cdk1细胞的染色体进行分析,发现TOP2A的减少只导致硬化行为的微小定量变化,仍然遵循HWLC模型。而在染色体去凝集后再度压缩过程中,TOP2A的缺失后导致染色体的顺应性(反刚度)显著增加,且低浓缩染色体的硬化长度明显减少。他们认为,TOP2A有助于染色体在受到干扰后恢复到原来的结构。因此,TOP2A不仅仅是染色体凝集中不可缺少的,也是维持有丝分裂染色体结构的重要组分。


总的来说,这篇论文所阐述的生物、物理学实验方法,及相应的数学模型为染色体的结构及其相关蛋白的研究奠定了基础,开阔了方向,拥有深远的意义。例如,我们可以进一步研究凝聚蛋白(condensin I,II)在分裂期对染色体形态和物理属性的作用。在将来,随着微流控及双光镊带宽场荧光成像系统的发展,我们也许有一天可以在医院里常规检查人体细胞天然染色体的行态,物理属性,便利诊断治疗。


原文链接:

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04666-5


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