Nature子刊：使用超分辨率显微镜追踪活细胞分裂过程中的单个核小体

单个细胞分裂的过程称为有丝分裂，在此过程中，细胞复制的DNA在两个子细胞之间分离。尽管细胞生物学最近取得了进展，但有丝分裂过程中DNA凝聚的机制仍然知之甚少。研究人员最近追踪了缠绕在组蛋白周围的一小段DNA，称为核小体，以更好地表征核小体在细胞分裂过程中的行为。

DNA是由染色质组成的，染色质是由DNA、RNA和蛋白质组成的动态结构，调节基因表达的可及性和细胞中遗传物质的整体结构。例如，组蛋白是带正电的蛋白质，与带负电的DNA结合。DNA包裹着这些组蛋白形成核小体，核小体有助于将近6英尺的人类基因组DNA浓缩成直径只有10微米(1 x 10-6米)的细胞核。

在有丝分裂过程中，DNA在分裂成两个子细胞之前凝结。一种叫做凝聚蛋白的蛋白质复合物参与了凝聚染色体的组装。然而，研究人员仍然不确定细胞如何在细胞分裂过程中实现染色体组装。为了解决这个问题，来自日本三岛国立遗传研究所的一组研究人员，信息与系统研究组织(ROIS)的一部分，使用单核小体成像来揭示活细胞有丝分裂期间染色体组织和压实的因素(电影)。

研究小组在8月25日的《自然通讯》上发表了这项研究。

“在细胞分裂过程中，有丝分裂染色体组装是将复制的染色体传递给两个子细胞的重要过程。虽然凝缩蛋白等蛋白质因子在这一过程中发挥关键作用，但尚不清楚核小体(染色质的组成部分)在染色体组装过程中的行为，以及凝缩蛋白如何作用于核小体来组织染色体。为了研究这些观点，我们使用超分辨率显微镜跟踪了活的人类细胞分裂过程中单个核小体的运动，”日本三岛国立遗传研究所和高等研究研究生院教授Kazuhiro Maeshima说。

研究小组观察到，与间期细胞相比，核小体在有丝分裂期间受到更多的限制。在细胞分裂的后期，当染色体被移动到细胞的相反两极时，核小体受到最大的限制。当染色体开始分解时，这些限制在末期(细胞分裂的最后阶段)被放松。

研究小组还进行了凝缩蛋白耗竭实验，以研究有丝分裂过程中的约束过程。他们发现凝聚蛋白的消耗会导致染色体形状异常和核小体运动增加。这一观察结果支持了一个染色体组织模型，其中凝缩蛋白形成环来约束核小体。重要的是，来自横滨市立大学的酒井裕二(Yuji Sakai)能够用计算模型概括他们的观察结果(电影)。

“我们的研究结果表明，随着染色体在细胞分裂过程中组装，核小体的运动越来越受到限制。凝缩蛋白的功能类似于“分子交联剂”，将核小体固定在适当的位置以组织染色体。此外，由组蛋白尾部促进的核小体之间的相互作用有助于进一步压缩染色体(图)，”来自国立遗传研究所和SOKENDAI的Kayo Hibino说。

该团队的计算模型和染色体外围缺乏凝聚表明，其他限制因素可能有助于有丝分裂期间的染色体凝聚。通过使用试剂trichostatin A (TSA)减少组蛋白上的正电荷，研究人员观察到核小体运动增加(图)，与凝血蛋白耗尽实验的结果相似。

总的来说，研究小组发现，在有丝分裂过程中，凝缩蛋白通过环的形成负责将核小体限制在染色体轴周围，并且核小体-核小体通过组蛋白尾部相互作用有助于全局染色体凝缩(图)。需要进一步的研究来确定凝缩蛋白如何形成DNA环，以及核小体-核小体相互作用和环形成如何相互作用以组装染色体。