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新技术揭示染色体多种形态

May 14, 2019 No Comments

新技术揭示染色体多种形态

如图所示的多色染色质图像是使用多重荧光原位杂交(multiplexed fluorescence in situ hybridization)和超高分辨率显微镜(super-resolution microscopy)创建的。

 

研究人员意识到,染色体不是只有一种形式,而是具有多种形式。

分子模型表明,染色体以有序、分层的方式组装:DNA包裹着名为组蛋白的蛋白质,形成核小体,由30 nm粗的纤维折叠成直径为120nm的“色素体”,进一步扩展到更大的染色质结构,直到它们形成大的紧密盘绕的形状——标志性的X形染色体。

在生物物理学家庄小威的高分辨率显微镜下,这些染色体类似于超现实主义画家萨尔瓦多达利的画作。现就职于哈佛大学(Harvard University)的庄小威是越来越多绘制基因组拓扑结构,解码染色质结构和功能之间的关系的研究人员之一。使用多重荧光原位杂交(fluorescence in situ hybridization, FISH)结合超高分辨率显微镜(super-resolution microscopy),庄小威的团队以30千碱基的分辨率绘制了数百万个人类21号染色体的碱基,并通过一个点一个点以拼图的方式拼接,得到染色体的形状。由此产生的多彩图像非常像达利1931年的作品《记忆的持久性》中的一个融化时钟。

但那只是一个细胞里的情况。庄小威团队观察的每个细胞中,染色体呈现出不同的形状——染色体根据细胞类型的细小差别改变自己的形状。庄小威表示,不同细胞之间染色体形态的异质性很强。

无独有偶,2018年末,哈佛医学院(Harvard Medical School)的遗传学家吴婷将分辨率类似的超高分辨率FISH方法与测序分析结合起来,对一大块人类19号染色体进行分辨率达到10千碱基的成像,结果也观察到了类似的异质性。该研究中的染色体看起来更像空间填充蛋白模型。当团队将无活性和有活性的染色质标记进行叠加时,他们观察到不同的模式。吴婷指出,尽管她们对很多细胞中的19号染色体进行了成像,但这个8.6兆碱基区域的结构她们只见到过一次,这种多样性真是令人震惊。西雅图华盛顿大学(University of Washington)的基因组科学家,该论文的共同作者Brian Beliveau直言不讳,染色体就像雪花一样,没有两个染色体是一样的形状。

 

更深入的了解

在生物学中,功能源于形式。例如,氨基酸序列决定了蛋白质的形状,从而决定了蛋白质是结构支架、信号分子或酶。基因组可能也是如此。不过直到最近,研究人员还没有简单的方法来确定这种结构。

研究人员利用一种名为Hi-C的基于测序的方法计算不同染色体片段在空间中相互作用的频率,结果发现染色质组织成相对稳定的结构,即拓扑结合域(topologically associating domain, TAD),更大的域名为隔室。但Hi-C的工作原理是在数百万个细胞中平均染色体构象。为了观察细胞中存在的染色质形式,研究人员必须单独研究每个细胞中的染色体构象。

吴和庄均专注于相对较小的基因组区域——三十亿碱基对中的几百万个碱基对。他们以前使用类似的方法以较低的分辨率绘制了整个染色体。北京大学(Peking University)的生物物理化学家谢晓亮则从更大的尺度上来观察染色体。

 

新技术揭示染色体多种形态3
对染色体进行成像的超高分辨率显微镜系统。

 


谢等人使用Dip-C(一种类似于单细胞Hi-C的测序方法)以20千碱基分辨率在具有两组染色体的单个细胞中绘制染色体构象。该方法的灵敏性使其能够检测染色体内和染色体间的接触——每个细胞中大约有一百万个——团队可以从中推断出整个细胞核中的染色体构象。在计算机生成的渲染图中,染色体看起来就像是一条多彩的纱线。谢指出,他们得到了6×109个碱基如何在细胞核中分布的信息。

在嗅觉神经元中,他们发现染色体的结构反映了细胞生物学。虽然大多数细胞在细胞核外围堆积了数千个嗅觉受体基因,但嗅觉神经元将大多数嗅觉受体基因包裹在靠近核心的地方,在那里它们被沉默——除了在一个可以自由产生神经元嗅觉受体的细胞中。谢表示,染色质结构决定了细胞功能。

与蛋白质不同,染色体的结构变化很大。在2019年的一项研究中,马里兰州贝塞斯达国家癌症研究所癌症研究中心(Center for Cancer Research at the National Cancer Institute)的主任Tom Misteli实验室的博士后研究员Elizabeth Finn等人从Hi-C地图中选择了125对接触,并使用高通量FISH平台来绘制人体细胞中接触点的物理位置。他们发现,一般来说,Hi-C图中密切相关的区域往往在空间上紧密相连,而在Hi-C图中关联较弱的区域往往不太频繁地共同定位。

Misteli对此表示,物理位置的关联与互作是相关的——不过并非完全如此。在许多细胞中,并未观察到相互作用。马萨诸塞州大学医学院(University of Massachusetts Medical School)的染色质生物学家、该研究的合作者Job Dekker指出,这并不奇怪。即使强大的Hi-C信号也可能只反映少数细胞。基因组几乎肯定是动态的。在一个时刻存在的接触可能在几分钟后就消失。他们认为,大多数这些接触都可能发生在所有细胞中,但只是瞬间发生。

Misteli认为,其它机制也可能起作用。例如,一些基因座相隔甚远,它们难以仅仅通过染色体伸展进行相互作用。

研究人员正在寻找的是总体模式。在加利福尼亚州拉霍亚的索尔克生物研究所(Salk Institute for Biological Studies),分子生物学家Clodagh O'Shea开发了一种用于绘制纳米精度的单细胞染色质结构的方法。这种方法包括将细胞染色质涂在薄金属外壳中——正如她所说的那样,就像Han Solo在1980年的电影《帝国反击战》(The Empire
Strikes Back
)中用碳酸盐包裹一样。她的团队与加州大学圣地亚哥分校(University of California, San Diego)的Mark Ellisman合作,然后使用3D电子显微镜对该金属外壳进行CT扫描,并使用计算机算法跟踪其在细胞核内的形态。

然而,得到的结构既不能显示是哪条染色体,也不能显示是哪个特定的DNA片段。但是,通过研究从核小体到细胞核的大小范围内的形状,研究小组发现细胞染色质比传统理论所暗示的要复杂得多。在该论文中,研究人员对染色体的描述是“一种无序粒状链,其直径在5到24 nm之间,并且由许多不同的核小体颗粒以密度和位置未知的方式排列在一起。

尽管如此,通过比较染色质在细胞周期不同阶段的特性,研究小组发现染色体结构似乎与局部DNA浓度有很大差异。浓度的微小变化可以将DNA推向或多或少的流体状态——这一发现为染色质动力学的速度和调节提供了一个可能比较简单的解释。

现在,研究人员正在研究如何更深入地研究基因组。例如,O'Shea开发了一种名为FireNano的遗传编码荧光金属纳米粒子,它可以对特定基因位点进行活细胞追踪,然后进行更高分辨率的电子显微镜研究。曾在庄小威实验室担任博士后,现在就职于加州斯坦福大学(Stanford University)的发育生物学家Alistair Boettiger开发了一种方法,将多重FISH的分辨率提高到2千碱基,同时捕获基因表达数据以剖析结构在转录调控中的作用。

Dekker表示,在由NIH资助的4D Nucleome计划的支持下,研究人员正在革新他们在基因组组织中所能想到的一切。人们开始意识到,不能通过做一个成像实验、一个Hi-C实验、一个生化实验,或在电脑上构建一个模拟分子或生物物理模型来回答这个问题。我们必须联合起来,以一种连贯的方式,把以上各种方法结合起来,因为解析染色体的构象可能涉及所有这些学科。

吴指出,由于可用的工具不断增多,染色质生物学正处于“分水岭时刻”。这是一个令人兴奋的阶段。基因组的不同部分、不同的染色体、不同的细胞和不同的发育阶段的染色体构象都是很好的研究方向。

 

原文检索:
Jeffrey M. Perkel. (2019) The new techniques revealing the varied shapes of chromatin. Nature, 569: 293-294.
张洁/编译

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