快资讯丨《自然》：有丝分裂的关键谜题，终于有答案了

▎药明康德内容团队编辑

还记得生物课本上对于有丝分裂过程的描述吗？当细胞由间期进入分裂期，为了将遗传物质平均分配到两个子代细胞中，原本松散的染色质会被压缩成致密的染色体（两个染色单体通过着丝粒相连）。随后，两侧的纺锤体在分裂过程中分别牵引两条染色单体，使得它们高效地向两端移动。

(相关资料图)

在这个确凿的故事中，还有一个尚未得到解决的问题：染色体是如何被压缩，从而被纺锤体顺利地移向细胞两极的？

之所以存在这个问题，要从纺锤体的作用机制说起。纺锤体由数千根微管组成，有趣的是，不同微管会向染色体施加截然相反的作用力：与着丝粒相连的微管提供拉力，将两条染色单体分别向自身这一侧牵引；但其他不接触着丝粒的微管却会施加相反的斥力。不难想象，如果后者占据上风，会导致染色体分配无法顺利进行。

▲有丝分裂早期，染色体与纺锤体形成的结构（图片来源：GERLICH/IMBA）

因此，一定存在某种未知的机制，可以帮助染色体抵御斥力，并避免微管从染色体中穿过。这也成为困扰科学界许久的难题。

在一项近期发表于《自然》的研究中，奥地利科学院分子生物学研究所（IMBA）等机构的科学家找到了答案。他们发现，组蛋白去乙酰化是染色质能够被压缩为致密的染色体、抵御微管斥力的关键。

“在这个复杂的系统中，通过改变组蛋白乙酰化——一种染色质中的化学修饰——的水平，染色体可以拥有不同的物理性质。”这项研究的领导者，IMBA的Daniel Gerlich教授表示。

此前的研究表明，在开始分裂的细胞中，染色质在凝缩蛋白（一种蛋白质复合体）的帮助下折叠成环状。不过，凝缩蛋白本身不足以解释为什么染色体会变得如此紧致。另一些研究提出，组蛋白乙酰化起到了调控分裂时染色体紧致程度的作用。但组蛋白乙酰化与凝缩蛋白的相互作用及其功能尚不明确。

为了探究凝缩蛋白与组蛋白乙酰化这两个因素各自对染色体的影响，研究团队进行了控制变量实验。结果，移除凝缩蛋白会在细胞分裂时干扰染色体的拉伸形态、降低对拉力的抵御能力，但不会影响压缩程度。而在移除凝缩蛋白的同时使用抑制组蛋白去乙酰化的药物（即提升组蛋白乙酰化的水平），会导致分裂细胞中大量染色质解除压缩的状态、重新变得松散，这时微管能够贯穿染色体。

由此，研究验证了组蛋白去乙酰化对于维持染色体紧致形态的作用。接下来，研究团队进一步检验了乙酰化水平对染色体状态的影响。他们借助酶将分裂期的染色体切割成小的片段，结果这些染色体片段以液滴的形态存在；但当组蛋白乙酰化水平升高，这些染色体液滴会溶解在细胞质中。

▲有丝分裂时纺锤体对染色体的作用力示意图（图片来源：参考资料[2]）

这些实验结果表明，有丝分裂时的组蛋白去乙酰化，使得染色体通过相分离处于不可溶的状态，为抵御微管的贯穿奠定了物理基础。

“我们的研究表明，凝缩蛋白复合体形成的DNA环与染色质相分离过程相结合，构建出能抵御纺锤体斥力的染色体结构。由此，细胞分裂时组蛋白的去乙酰化过程，赋予了染色体分配所必需的独特物理性质。” Gerlich教授表示。

参考资料：

[1] Schneider, M.W.G., Gibson, B.A., Otsuka, S. et al. A mitotic chromatin phase transition prevents perforation by microtubules. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05027-y

[2] A phase transition for chromosome transmission when cells divide. Retrieved August 3rd, 2022 from https://www.nature.com/articles/d41586-022-01925-3

[3] How the genome is packed into chromosomes that can be faithfully moved during cell division. Retrieved August 3rd, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/960485

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