重磅推荐|Nature Genetics揭示DNA折叠成染色质的新机制
iNature：使用Hi-C技术来证明凝集素在有丝分裂间期期间，使DNA重塑为染色质起了至关重要的作用。 这项研究提供了一个机制，一个厘米长的DNA分子折叠成一个微米长的棒状染色体的机制。
有丝分裂染色体的棒状结构是现代遗传学和细胞生物学的标志。而在十九世纪末期，瓦尔特·弗莱明（Walter Flemming）在形态学上描述了杆状物体的突然出现，及其在细胞分裂之前的纵向分裂，但遗传染色体DNA多长时间可能被折叠并组织成有丝分裂染色体仍然是一个谜【1】。
在过去二十年中积累的证据证明，已经完全确定了一类称为凝集素的大蛋白质复合物，在这一过程中具有中心作用【2,3】。值得注意的是，最近的研究表明，凝集素具有形成有丝分裂染色体的能力即使在近乎不存在核小体（最基本的真核染色质单位）的情况下【4】。然而，探测有丝分裂染色体组装主要依赖于微观观察，现在也采用替代方法来解决凝集素如何有助于染色质纤维折叠和染色体形成的问题，如Hi-C的方法。对于这个问题，Frank Uhlmann及其同事在裂殖酵母中使用染色体构象捕获（Hi-C）技术来提供完全独立的证据线，凝集素确实是构建有丝分裂染色体的主要决定因素。
1有丝分裂染色质Hi-C方法
裂殖酵母是研究染色体中细胞周期依赖性结构变化的理想模型生物体：基因组大小很小（约13.8Mb），单倍体细胞中的三条染色体经历细胞学染色体凝集，这在其他真核生物中也能观察到，比如人类，小鼠等。 Kakui等人【5】比较了从间期细胞（主要在G2期）制备的Hi-C图谱和有丝分裂的细胞，发现染色体臂内（臂内相互作用）之间的相互作用增加，而跨细胞和染色体间相互作用在有丝分裂中减少。 DNA的接触概率的差异完全反映了有丝分裂期间观察到的染色体的形态学变化（下图）。作者随后使用了条件性敲除凝集素蛋白亚基的等位基因，发现所有有丝分裂特异性标记在凝集素缺失的条件下，从有丝分裂细胞中消失。由于使用高度同步的有丝分裂细胞群体和强大的缺失策略（组合转录抑制和生长素诱导型degron），数据非常漂亮，提供了令人信服的证据线，凝集素确实是造成有丝分裂染色体中的特异性构象变化的主要因素。这些结果很好地补充了凝集素突变体中有缺陷表型的先前细胞学观察【6,7】。有趣的是，作者还注意到有丝分裂的短程（<90-kb）接触数量的减少，这也是依赖于凝集素，为染色质纤维的有丝分裂特异性折叠提供了额外的机械洞察。
先前已经证明，在组织培养中使用人类细胞的开创性Hi-C研究【8】，表明间期期间存在的megabase-大小的拓扑关联结构域（TAD）在有丝分裂期间消失，在单个染色体的整个长度上产生高度均匀的接触图。 Kakui等【5】发现，在间期裂殖酵母中存在TAD样“小结构域”（中位数大小为270kb），并在融合蛋白依赖性有丝分裂期间融合，以产生“大结构域”（〜480kb） 方式。 然而，仍然不清楚，裂殖酵母的这些变化在多大程度上与在人类细胞中观察到的变化相关，这些变化发生在明显更大的规模上。
2多个“组织者”之间的合作
俩篇最近的研究，将Hi-C技术应用于芽殖酿酒酵母中，并获得了对染色体结构细胞周期依赖性变化的更多见解【9,10】。这些研究发现，凝集素对臂部凝集的贡献在该生物体中是最小的，并且凝集素具有基因座特异性功能，即防止着丝粒的超聚集和促进后期rDNA的凝集。两项研究也证明了在发芽酵母细胞周期期间凝集素对臂凝集的作用。这些结果不仅延长了早期细胞学分析【11-13】，而且提供了在细胞周期中发生的多重染色体事件（复制，内聚和结合）如何在机械上相互联系的问题的分子线索。这个根本问题需要得到严格的解决，因为粘合素和凝聚素之间的分工在染色体大小和细胞周期参数在不同物种之间可能会有差异。
同样重要的是要注意，与仅有一种类型的凝集素的真菌不同，许多真核生物具有两种不同类型的凝集素复合物，称为凝集素I和II，其在有丝分裂染色体组装和分离中具有重叠和特异化的功能【2】，因此，了解两个凝集素复合物如何相互配合是非常有意义的。 Gibcus等人最近的一项研究【14】已经通过将Hi-C应用于鸡DT40细胞来解决了这个问题，并且首先了解了凝集素I和II对脊椎动物染色体的组装的不同机制贡献。准备高度同步的有丝分裂细胞群体对于所有这些研究的成功绝对是必不可少的，尽管这些努力原则上可以通过单细胞Hi-C【15】的新兴技术进行补充。随着进一步的技术创新，可以坦率地说，有丝分裂染色体研究领域正在进入一个新的时代，其中染色质接触图提供了一种强大的策略，以高分辨率探索大规模染色体结构。围绕有丝分裂染色体的许多经典问题，其分析仅依赖于显微镜观察，现在可以从完全新鲜的角度重新审视。
原文链接
https://www.nature.com/ng/journal/v49/n10/pdf/ng.3938.pdf
http://www.nature.com/ng/journal/v49/n10/full/ng.3962.html
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参考文献
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12. D’Amours, D., Stegmeier, F. & Amon, A. Cell 117, 455–469 (2004).
13. Sullivan, M., Higuchi, T., Katis, V.L. & Uhlmann, F. Cell 117, 471–482 (2004).
14. Gibcus, J.H. et al. Preprint at bioRxiv http://dx.doi.org/10.1101/174649 (2017).
15. Nagano, T. et al. Nature 547, 61–67 (2017).
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