新显微镜技术发现了有丝分裂染色体凝聚的机制

一组研究细胞分裂的科学家开发了一种特殊的光学显微镜系统，并用它来分析活细胞环境中的分子密度。他们的研究结果为有丝分裂染色体凝聚提供了新的见解。

他们的研究成果发表在2024年8月27日的《PNAS》上。

为了开展研究，该团队开发了一种与取向无关的微分干涉对比(OI-DIC)显微镜系统，该系统与共聚焦激光扫描显微镜相结合，能够精确地绘制光程差异并估计分子密度。

有丝分裂染色体凝聚是细胞分裂过程中复制的染色体向两个子细胞传递的重要步骤。为了研究这一过程的潜在物理原理，研究团队调查了耗尽吸引力（depletion attraction），这是一种在拥挤的细胞环境中吸引大型结构的力，是否参与了这一过程。

在染色体凝聚过程中，染色质链被压缩成短染色体。这个过程使染色体变得坚硬，以抵抗来自纺锤体的拉力。虽然一些参与缩合过程的蛋白质，包括缩合蛋白和拓扑异构酶I α，已经被确定和广泛研究，但缩合过程的物理基础仍不清楚。“使用新开发的特殊光学显微镜，我们可以成像细胞环境的分子密度，我们发现在细胞分裂期间染色体周围的拥挤增加，导致耗尽吸引力的增加。我们的研究结果表明，耗尽吸引力的增加使染色体更加坚硬，确保了细胞分裂过程中染色体的准确传递，”基因组动力学实验室Shiori Iida说。

“我们的新型光学显微镜系统使我们能够获得匹配的高分辨率光程差和共聚焦图像，以获得活细胞中的精确绝对密度。这种OI-DIC成像能够生成活细胞中折射率和分子密度或干质量的3D体积图像。利用OI-DIC系统，我们量化了活细胞有丝分裂过程中染色体周围分子的绝对密度，”伍兹霍尔海洋生物实验室的Michael Shribak说。研究小组分析了人类HCT116细胞和印度麂（Indian Muntjac）DM细胞在不同细胞周期阶段的细胞质和核质中的绝对密度。人类HCT116细胞是人类结肠癌细胞。印度麂是哺乳动物中染色体数量最少的鹿，这使它们的细胞成为有丝分裂研究的理想选择。

他们的分析表明，染色体周围的分子密度随着有丝分裂前期到后期的进展而增加，与染色体凝聚同时发生。然而，在染色体去凝聚开始的末期，分子密度下降。通过对有丝分裂细胞进行低渗或高渗处理，研究小组观察到染色体凝聚水平的一致变化。高渗处理使有丝分裂细胞的密度和诱导的染色体凝聚迅速增加，而低渗处理则相反。

然后，为了进一步支持他们在HCT116细胞中的发现，研究小组检查了另一种细胞系——印度麂DM细胞。这些DM细胞来源于鹿成纤维细胞，具有非常大的有丝分裂染色体。他们在DM细胞中获得的结果支持了他们在人类HCT116细胞中的发现。这表明染色体环境密度的短暂上升可能是有丝分裂细胞的共同特征。

研究小组发现，高浓度的大分子浓缩了染色质，使其在体外更坚硬，更像固体。“据我们所知，我们是第一个证明耗竭吸引/大分子拥挤将阳离子形成的纤维染色质凝聚物转化为体外液滴的人，”国家遗传学研究所基因组动力学实验室和SOKENDAI高级研究所的Kazuhiro Maeshima说。

“我们的研究结果表明，耗竭吸引的增加使染色体更加坚硬，确保了细胞分裂过程中染色体的准确传递。分子密度的短暂上升似乎是由有丝分裂过程中核膜破裂引起的。核膜破裂后，核膜、核孔复合物、核膜和核仁被分解成小块。因此，细胞质和核仁因子暴露在染色体上，充分促进了耗竭吸引的增加。这为我们提供了对人类细胞中有丝分裂染色体凝聚的物理基础的新见解，”Maeshima说。

“在这项研究中，我们发现有丝分裂的染色体在细胞分裂过程中被一种称为耗竭吸引的物理力量浓缩。展望未来，我们的目标是阐明DNA的物理性质，以及影响其性质的物理力量如何促进DNA交易，包括转录、DNA复制和修复，”Iida说。

OI-DIC