染色体看起来和你想象的不一样

　　在高中课本中，人类染色体被描绘成两只被挤在一起的热狗一样摇摇晃晃的XS形状。但这些图像并不准确。＂在90%的时间里，＂苏俊汉（音译）说，＂染色体并不是那样存在的。＂
　　利用多路荧光原位杂交和超分辨显微技术建立了染色质的多色图像。来源：庄小威实验室
　　去年，在苏博士毕业之前，他和几位同事就因为发现人类染色体结构影像获得了高分辨率的三维博士学位。现在，这些图像可以提供足够的证据，把X变成更复杂但更精确的符号，不仅可以教育下一代科学家，还可以帮助当代人解开染色体结构如何影响功能的谜团。
　　所有的生物，包括人类在内，都必须创造新的细胞来取代那些太老、太破旧而无法发挥作用的细胞。为了做到这一点，细胞分裂并复制他们的DNA，DNA被包裹在染色体的染色质内部迷宫库中。如果延伸成一条直线，DNA在一个单细胞可以达到六英尺，所有这些都被包裹在一个细胞核的紧密而复杂的结构中。只是一个错误，复制或重新缠绕的遗传物质可能导致基因突变或故障。
　　放大足够近看染色质结构是困难的。但从结构和功能两方面来看都更加困难。现在，在八月《细胞》发表的一篇论文中，庄小威和她的团队报告了一种新的方法，将染色质的结构和行为组合在一起，将点连接起来，以确定其中一种如何影响另一种，以维持正常的功能或引起疾病。
　　＂确定三维组织是非常重要的，＂庄说，＂了解该组织的分子机制，并了解该组织如何调节基因组功能。＂
　　利用他们的新的高分辨率三维成像方法，研究小组开始从46条染色体的宽镜头图像和一条染色体的近距离图像中构建一张染色体图谱。为了想象一些小到无法想象的东西，他们捕获了每个DNA链上的连接点(＂基因组位点＂)。通过连接大量的点，它们可以形成一幅完整的染色质结构图。
　　＂但还有个障碍，＂庄说。以前，他们可以想象和识别的点的数量受到想象的颜色的数量的限制：三个。三点画不出一幅完整的图画。
　　所以，庄和她的团队提出了一个顺序的方法：图像三个不同的位点，熄灭信号，然后快速连续地图像另外三个。使用这种技术，每个点得到两个识别标记：颜色和图像圆形。
　　庄说：＂现在，我们实际上有60个同时成像和定位的位点，更重要的是，我们已经确认了这60个位点。＂
　　尽管如此，为了覆盖整个基因组，他们需要更多的--数千--所以他们转向了一种已经被用来组织和存储大量信息的语言：二进制语言。通过在不同的染色质位点上印迹二进制条形码，它们可以对更多的基因座进行图像处理，并对它们的身份进行解码。例如，在第一轮而不是第二轮中，一个分子得到一个以＂10＂开头的条形码。使用20位条形码，该团队可以在20轮成像中分辨出2,000个分子.＂通过这种组合方式，我们可以更快地增加被成像和识别的分子的数量，＂庄说。
　　通过这项技术，研究小组为每个细胞拍摄了大约2000个染色质位点，比他们以前的工作增加了十倍多，足以形成一幅高分辨率的图像，说明染色体在其原居地的结构。但他们并没有就此止步：他们也成像了转录活性(当RNA从DNA中复制遗传物质时)和核结构，如核斑点和核仁。
　　利用他们的三维谷歌基因组地图，他们可以开始分析结构随着时间的推移，这些领土运动如何帮助或损害细胞分裂和复制。
　　研究人员已经知道染色质被分成不同的区域和区域(比如沙漠和城市)。但是，这些地形在不同的细胞类型中是什么样子，它们是如何发挥作用的，目前还不清楚。通过他们的高分辨率图像，壮族和研究小组确定，拥有大量基因(＂基因丰富＂)的区域往往会蜂拥到任何染色体上的相似区域。但是只有当它们拥有相同的染色体时，基因很少的区域(＂基因贫乏＂)才会聚集在一起。一种理论认为，基因丰富的区域是基因转录的活跃位点，它们像工厂一样聚集在一起，以实现更高效的生产。
　　虽然在证实这一理论之前还需要更多的研究，但现在有一件事是确定的：局部染色质环境影响转录活动。结构确实会影响功能。研究小组还发现，没有两条染色体看起来是一样的，即使是在细胞在其他方面是相同的。要想在人体的每一个细胞中发现每条染色体的样子，所需的工作量远远超过一个实验室单独承担的工作量。
　　庄说：＂仅仅建立在我们的工作上是不可能的。我们需要建立在许多实验室的工作基础上，才能有一个全面的理解。＂
　　更多信息： Cell (2020). DOI: 10.1016/j.cell.2020.07.032