在細胞分裂成兩部分之前，細胞必須首先複製其所有染色體。這樣每個新細胞都會獲得一套完整的遺傳物質。多年來，研究人員認為，一旦這一過程展開，基因組複雜的三維形狀也會暫時丟失。
分裂後科學家認為DNA逐漸重建其複雜的折疊結構。這是控制哪些基因在給定細胞中活躍的關鍵。
現在，麻省理工學院的新研究表明，這種長期被接受的模型並不完全正確。利用強大的高分辨率基因組作圖方法，該團隊發現了小的 3D 環，它們是 DNA 元件和調控基因之間的連接。即使在細胞分裂過程中也保持完整。這是一個稱為有絲分裂的階段。
“這項研究有助於闡明我們應該如何看待有絲分裂。從歷史上看，有絲分裂一直被視為一張白紙。沒有轉錄，也沒有與基因功能相關的結構。現在我們知道情況並非如此，”麻省理工學院生物工程副教授 Anders Sejr Hansen 說。 “我們看到的是，結構總是存在的。它永遠不會消失。”
幫助細胞“記憶”的DNA環
研究人員還發現，當染色體凝結準備分裂時，這些 DNA 環會變得更強。這種壓縮使相距遙遠的監管要素更加緊密地聯繫在一起。研究小組表示，這可能會讓細胞“記住”分裂前存在的遺傳相互作用，並在以後重新創建它們。
“這些發現有助於將基因組的結構與其管理基因打開和關閉的功能聯繫起來。幾十年來，這一直是該領域的一個突出挑戰，”該研究的主要作者、25 歲的 Viraat Goel 博士說。
漢森和麻省理工學院醫學工程與科學研究所的研究科學家愛德華·巴尼根是該研究的資深作者。發表於 結構和分子生物學– 合著者包括麻省理工學院教授 Leonid Mirny 和賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫學院的 Gerd Blobel。
繪製 DNA 隱藏結構圖
在過去的二十年裡，科學家們發現細胞核中的 DNA 將自身組織成 3D 環。許多這樣的環允許基因與遠處的調控區域相互作用。有時被數百萬個鹼基對分開，而其他環在有絲分裂期間形成以壓縮染色體。
大部分繪圖依賴於一種名為 Hi-C 的工具，該技術由麻省理工學院的研究人員和馬薩諸塞大學陳醫學院的 Job Dekker 共同開發。 Hi-C 的工作原理是將 DNA 切割成小片段，然後將細胞核中靠近的片段連接在一起。在測序之前確定哪些區域彼此相互作用
儘管有效，Hi-C 缺乏檢測基因和稱為增強子的調控序列之間微妙相互作用所需的分辨率。增強子是短DNA片段，通過與啟動子結合來激活基因。這是解碼開始的區域。
創新工具：Region-Capture Micro-C
2023 年，漢森和他的同事開發了一種下一代技術，可以以高達 1,000 倍的精度繪製基因組結構圖。這種方法被稱為 Region-Capture Micro-C (RC-MC)，使用不同的酶將 DNA 切割成大小均勻的片段，並專注於基因組的較小部分。它允許研究人員創建目標 DNA 區域的高度詳細的 3D 圖。
使用 RC-MC，該團隊確定了一種新的結構特徵，稱為“這些是小的、密集互連的環，當近增強子和加速器彼此相鄰時形成。”
之前的工作表明，小區室的形成機制不同於大規模 3D 基因組結構，但該團隊仍然不明白如何形成。為了探索這一點，他們決定研究當細胞進行有絲分裂時這些結構會發生什麼。在此期間，染色體高度壓縮，以確保它們可以復制並在子細胞之間均勻分佈。在這種情況下，稱為 A/B 區室的大型基因組結構域和拓撲連接結構域 (TAD) 經常缺失。
細胞分裂過程中意想不到的穩定性
研究人員預計較小的通道也會消失。為了測試這一點，他們檢查了細胞的整個分裂週期，以了解這些循環在細胞分裂之前和之後的行為。
“在有絲分裂期間，人們相信幾乎所有的基因轉錄都被關閉。而在我們的報告之前，人們認為所有參與基因調控的3D結構都消失了，並被壓縮所取代。這是整個細胞週期的完全重置，”漢森說。
他們驚訝地發現絞索並沒有消失。事實上，隨著細胞分裂，它們變得更加明顯。
“我們進行這項研究時認為，我們確定的一件事是有絲分裂中沒有控制結構。然後我們意外地發現了有絲分裂中的結構，”漢森說。
研究人員還利用他們的技術證實了 A/B 區室和 TAD 等大型結構在細胞分裂過程中消失。如前所述
“這項研究利用了 RC-MC 檢測前所未有的基因組分辨率，揭示了 RC-MC 測試的新方面。作者揭示了我們過去使用傳統 3C 分析所忽視的有絲分裂染色質的令人驚訝的組織。與有絲分裂期間 TAD 和分裂的詳細描述相比，存在精細尺度的“微米”。這是主動調節之間的嵌套相互作用 元素。事實證明，它可以維持或暫時加強，”威爾康奈爾醫學院分子生物學副教授艾菲·阿波斯托盧（Effie Apostolou）說，她沒有參與這項研究。
神秘的爆炸性基因活動得到解釋
這一發現可能解釋了長期觀察到的有絲分裂末期發生的基因轉錄。自 20 世紀 60 年代以來，科學家們相信轉錄在細胞分裂過程中完全關閉。然而，2016 年和 2017 年的研究表明，該基因的活性在再次關閉之前迅速增加。
在這項新研究中，麻省理工學院的研究小組發現，在細胞分裂過程中，微循環往往出現在細胞分裂過程中被破壞的基因附近。他們還發現，這些環似乎是由於細胞分裂過程中發生的基因組壓縮而形成的。這種壓縮使增強子和啟動子更加緊密地結合在一起。讓它們粘在一起形成小通道。
當這種情況發生時，構成微通道的環路可能會意外地刺激基因轉錄。然後牢房將被關閉。當細胞完成分裂並進入稱為 G1 的狀態時，許多這些小環會減弱或消失。
漢森說：“有絲分裂中轉錄的這種激增似乎是一個不必要的意外，它是通過為有絲分裂過程中小細胞分裂的形成創造一個特別有利的環境而發生的。” “當細胞進入 G1 時，它們會快速修剪並過濾掉這些循環。”
這是因為染色體壓縮會受到細胞大小和形狀的影響。研究人員現在正在探索這些特性的變化如何影響基因組結構和基因調控。
“我們正在考慮細胞改變形狀和大小的自然生物環境。也許我們可以解釋 3D 基因組中以前無法解釋的變化，”Hansen 說。 “另一個重要的問題是，細胞如何選擇保留哪些小通道？以及當進入 G1 時移除哪些小通道以確保基因表達的保真度？”
該研究的部分資金來自美國國立衛生研究院、美國國家科學基金會的職業獎、布羅德研究所的基因調控觀測站、皮尤-斯圖爾特癌症研究學者獎、馬瑟斯基金會、麻省理工學院韋斯特韋基金、科赫研究所的橋樑計劃和癌症中心。達納法伯/哈佛大學和國家癌症研究所的科赫研究所資助（核心）。
