人类基因组大约有 3 G，如果将如此多的 DNA 线性排列，其长度可达 2 米，而细胞直径是微米级别，因此 DNA 在细胞核内是处于高度折叠的状态。 结构决定功能，细胞核内的空间结构势必会对生命体复杂的功能起到重要的影响。随着基因组学研究的进步，人们对染色质空间结构的研究不断深入。然而，在整个染色体规模上，控制细胞核结构的机制仍是未知的。 2021 年 5 月 28 日，荷兰癌症研究所 Benjamin D. Rowland 团队和美国贝勒医学院 Erez Lieberman Aiden团队在Science 上合作发表题为 3D genomics across the tree of life reveals condensin II as a determinant of architecture type 的研究论文，揭示了一种新的细胞核分类系统，并发现了两种细胞核类型之间相互转换的机制。 图片来源：Science 研究内容 为了探究基因组折叠的原理，研究人员对 24 个物种（代表脊索动物的所有亚门，所有现存的 7 个脊椎动物纲，9 个主要动物门中的 7 个，以及植物和真菌）进行了原位 Hi-C。总体来说，这些物种提供了细胞核结构的全面概述。 所得的图谱显示了核结构的四个特征： 第一，一些物种（例如 red piranha）在同一染色体上的基因座之间表现出更强的接触频率。尽管不一定相同，但这与传统细胞遗传学观察的经典 chromosome territories 一致。第二，一些物种（例如 yellow fever 和 southern domestic mosquitoes）在着丝粒之间有明显的接触。第三，一些物种（例如 ground peanut）端粒之间有明显的接触。第四，一些物种（例如 bread wheat）在染色体图上呈 X 形。 研究人员称后三个特征为 Rabl-like，因为它们与 Rabl 染色体结构相似，即着丝粒簇和染色体臂平行排列。 图片来源：Science 为了客观地识别这些结构特征，研究人员开发了 aggregate chromosome analysis（ACA）。根据特征共存的可能性，可以将结构特征分为两个类型，type-I 和 type-II。type-I 包括三个 Rabl-like 特征，type-II 仅包括第一个特征 ，即chromosome territories。 同系物根据物种不同，倾向于被分离或配对。研究人员发现 type-II 通常表现出同源分离，而在 type-I 中较少发生。研究人员开发一种算法（dubbed 3D-DNA Phaser），通过这些数据匹配模型，发现基因组结构的特征在数十亿年的时间里出现又消失，例如一个世系在 Rabl-like 与 territorial 两种结构之间变换。 于是，研究人员想进一步探究这种变换下潜在的机制。当探究两种结构之间的过渡时，研究人员发现表现为 type-I 特征的物种 mosquito 缺少凝缩蛋白 II（condensin II）复合体的一个亚基（促进有丝分裂染色体的压缩）。 于是研究人员在所有 24 个物种中对凝缩蛋白 II 的亚基进行研究，发现其中 8 个物种缺乏一个或多个凝缩蛋白 II 亚基，表现出 Rabl-like 特征。由于这些生物在进化树上相隔较远，type-I 结构特征和缺失凝缩蛋白 II 亚基可能是反复共同进化的，这些结果表明凝缩蛋白 II 增强了 chromosome territories 或减弱了 Rabl-like 特征。 人类基因组包含所有凝缩蛋白 II 亚基，也表现 type-II 结构特征，具有很强的 chromosome territories，不具有 Rabl-like 特征。那么人类细胞中凝缩蛋白 II 的损伤是否会干扰 chromosome territories 和增强 type-I 特征？ 研究人员在缺乏凝缩蛋白 II 亚基 CAP-H2 的 Hap1 细胞上进行原位 Hi-C。发现破坏凝缩蛋白 II 核心亚基阻止 CAP-D3 和 CAP-G2 亚基的募集，并使复合物完全失去功能。敲除 CAP-H2 细胞系表现出较弱的 chromosome territories 和较强的着丝粒聚集。免疫荧光显微镜显示其着丝粒聚集在一起，表明凝缩蛋白 II 的破坏将人类基因组的折叠转化为 type-I 结构，类似于真菌或果蝇等生物体的状态。 图片来源：Science 研究人员进一步研究凝缩蛋白 II 的缺失对人类基因组结构的影响。为了鉴定 DNA 片段相关 LADs（lamina-associated domains），研究人员对 LaminB1 蛋白进行了 DamID（DNA adenine methyltransferase identification）。发现在 CAP-H2 缺失细胞中，着丝粒聚集在核仁周围，然而扰乱核仁结构并不影响着丝粒聚集。并且在 CAP-H2 缺失细胞中，凝缩蛋白 II 缺失导致包含 H3K9me3 的异染色质聚集，表明凝缩蛋白 II 在抑制表观遗传标记的空间组织中起着保守的作用。 图片来源：Science RNA-seq 显示，凝缩蛋白 II 缺失只影响部分基因表达，这些基因富集于 LAD 内和附近。在凝缩蛋白 II 缺失时，在 LAD 附近或内部的基因可能占据着着丝粒移动到细胞核内部从而空出的空间。图片来源：Science 研究人员发现凝缩蛋白 II 控制着间期基因组的结构，但它是否通过间期作用来实现这一功能尚不清楚。因此，在 G1-S 期，研究人员在 HCT116 细胞中敲除凝缩蛋白 II。结果发现当凝缩蛋白 II 缺失的细胞在有丝分裂前停止时，着丝粒没有聚集。相比之下，进入有丝分裂导致着丝粒清晰地聚集在随后的 G1 期。这些结果表明凝缩蛋白 II 在有丝分裂中直接或间接为下一个间期建立 3D 基因组结构。 图片来源：Science 在有丝分裂中，凝缩蛋白 II 以一种纵向方式使染色体紧密。研究人员通过物理模拟的方法来研究凝缩蛋白 II 活性是否影响着丝粒的聚集。通过 10 条具有固定着丝粒自黏附和纵向压缩减少的染色体，来模拟凝缩蛋白 II 缺失。在纵向高度压缩（完整凝缩蛋白 II）作用下，染色体形成不重叠的实体，阻碍着丝粒的空间聚集。而较低纵向压缩（受损凝缩蛋白 II）导致染色体混合和着丝粒聚集。这个物理模型表明纵向压缩的缺失导致着丝粒聚集。 图片来源：Science 凝缩蛋白 I 和凝缩蛋白 II 共同驱动有丝分裂染色体压缩。相对于凝缩蛋白 II，凝缩蛋白 I 主要减少染色体宽度。如果凝缩蛋白 II 驱动的纵向压缩是导致 territorialization 的关键因素，那么凝缩蛋白 I 的缺失是否也会产生影响呢？然而研究结果发现凝缩蛋白 I 亚基 CAP-H 的缺失并不会导致着丝粒聚集。 研究总结 本研究发现了两种类型的 3D 基因组结构，每种类型在真核生物进化过程中反复出现和消失。并表明基因组结构类型的转换与凝缩蛋白 II 亚基的缺失有关。研究人员进一步提出了一个物理模型，认为有丝分裂期间凝缩蛋白 II 对染色体的纵向压缩决定了染色体尺度上的基因组结构，其影响在随后的间期中被保留。并且推测这种机制可能从所有真核生物的最后一个共同祖先开始就被保留下来。 本研究对 20 亿年的物种细胞核进行了广泛的调查研究，揭示了更深层次的自身细胞机制，为未来的基因组工程发展奠定了基础。 图片来源：Science 参考资料：Claire Hoencamp et al. 3D genomics across the tree of life reveals condensin II as a determinant of architecture type. Science, 2021, doi:10.1126/science.abe2218. 题图来源：站酷海洛 Plus
