超分辨率顯微鏡

“在許多類型的人類細(xì)胞中，染色體間連接可能被證明是染色體組織的一個(gè)*的主要特征，”Stowers研究員Jennifer Gerton博士說，他領(lǐng)導(dǎo)的研究小組調(diào)查了這些細(xì)胞的基礎(chǔ)和功能。

由于采用超分辨率顯微鏡，科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)能夠明確地識(shí)別人類染色體之間的物理關(guān)聯(lián)。這些發(fā)現(xiàn)揭示了對(duì)50多年前*發(fā)現(xiàn)的好奇觀察的新認(rèn)識(shí)。

Stowers醫(yī)學(xué)研究所的科學(xué)家在近在線發(fā)表于“細(xì)胞生物學(xué)雜志”的一份報(bào)告中探討了人類核型中五條染色體之間的這些物理聯(lián)-系。

在人類基因組組織研究過程中發(fā)現(xiàn)了這種聯(lián)-系。Gerton實(shí)驗(yàn)室的研究專家Tamara Potapova博士與Stowers Microscopy和Computational Biology團(tuán)隊(duì)合作，使用結(jié)構(gòu)圖像超分辨率顯微鏡(SIM)技術(shù)，以納米級(jí)分辨率顯示生物樣品，并在這些研究。

該論文的第--一作者Potapova解釋說，當(dāng)SIM圖像始終顯示二十三個(gè)人類染色體中的五個(gè)之間存在聯(lián)-系時(shí)，她和她的同事們感到驚訝。“我們知道染色體的重復(fù)姐妹拷貝之間有接觸點(diǎn)，但異源染色體之間沒有接觸點(diǎn)，”她說。“我對(duì)為什么同樣的五條染色體在許多不同的細(xì)胞類型中顯示出連接感到著迷。”

Potapova找到了幾個(gè)先前發(fā)表的關(guān)于可能的染色體間連鎖的報(bào)告。大多數(shù)這些觀察是在細(xì)胞遺傳學(xué)研究期間進(jìn)行的，早在超分辨率顯微鏡方法出現(xiàn)之前。

1961年，英國遺傳學(xué)家馬爾科姆·A·弗格森 - 史密斯在“柳葉刀”雜志上發(fā)表了關(guān)于染色體間聯(lián)-系的早期觀察。由于當(dāng)時(shí)顯微鏡的分辨率非常有限，弗格森 - 史密斯(現(xiàn)為劍橋大學(xué)的名譽(yù)教授)幾乎看不到這種聯(lián)-系。然而，在“柳葉刀”雜志的論文中，他寫道，他在細(xì)胞遺傳學(xué)研究中觀察到的一些染色體似乎與他們的短臂相似，就像一對(duì)“手牽著手的雜技演員”。

研究人員還確定，除了形成rDNA連接外，拓?fù)洚悩?gòu)酶II還可確保染色體分裂時(shí)解析染色體之間的rDNA連接。除拓?fù)洚悩?gòu)酶II外，研究小組還確定了調(diào)節(jié)連接的其他因素。促進(jìn)rDNA轉(zhuǎn)錄的因子增加了連接，包括c-Myc基因，核糖體生物發(fā)生和蛋白質(zhì)合成的全局調(diào)節(jié)因子，以及包含rDNA連接的上游結(jié)合因子(UBF)轉(zhuǎn)錄因子。

這項(xiàng)研究結(jié)果可以提供關(guān)于導(dǎo)致羅伯遜易位的染色體融合起源的線索，羅伯遜易位是人類zui-常見的染色體異常。羅伯遜易位是兩條含有rDNA的染色體之間的融合。連接提供的接近可能增加這些染色體在DNA中發(fā)生斷裂時(shí)終融合在一起的可能性。Robertsonian易位可導(dǎo)致不孕癥和唐氏綜合癥等三體性。

Gerton Lab繼續(xù)研究基因組的其他區(qū)域是否參與染色體間連接。Gerton說：“這些研究的結(jié)果揭示了一種新型的染色體 - 染色體相互作用。現(xiàn)在我們想知道除了rDNA之外的區(qū)域是否可以使用相似的機(jī)制參與這些類型的相互作用。”

其他研究貢獻(xiàn)者包括Jay R. Unruh博士，Zulin Yu博士和來自Stowers Institute的Hua Li博士，來自科學(xué)機(jī)構(gòu)的Giulia Rancati博士，新加坡的技術(shù)與研究，以及勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的Martha R. Stampfer博士。

Stowers的研究人員意識(shí)到，顯示染色體間連接的五條染色體通過一個(gè)共享序列 - 核糖體DNA(rDNA)連接在一起。該序列編碼核糖體RNA(rRNA)分子，核糖體是核糖體的形成所必需的，核糖體是細(xì)胞的蛋白質(zhì)制造工廠。這些序列接近五種不同的人類染色體的末端，并且可以充當(dāng)雜技者的“手”，將不同的染色體保持在一起。

研究人員還檢測了許多不同人類細(xì)胞類型的rDNA連接。Potapova說，rDNA鏈接在健康和患病組織中都很普遍，這表明它們不是病理性的。

在論文中，Stowers研究人員及其來自新加坡科學(xué)技術(shù)研究局和勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的共同作者提出，染色體之間rDNA連接的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是拓?fù)浠ユi或鏈接。

互鎖可以通過兩個(gè)因素的組合發(fā)生。第-一個(gè)因素是核仁中的強(qiáng)烈轉(zhuǎn)錄活性，即細(xì)胞核中核糖體生物發(fā)生的位點(diǎn)。第二個(gè)因素是來自核仁中不同異源染色體的rDNA序列鏈的存在。由于它們?cè)诤巳蕮頂D的環(huán)境中非常接近，因此rDNA序列鏈可以相互碰撞。

這些鏈可以通過酶拓?fù)洚悩?gòu)酶II的作用而相互連接。為了消除由于高水平轉(zhuǎn)錄引起的超螺旋應(yīng)力，拓?fù)洚悩?gòu)酶II必須不斷地?cái)嗔巡⒅匦逻B接DNA鏈。在論文中，研究人員提出這種酶可以糾纏兩條不同染色體上rDNA區(qū)域的鏈，從而形成連接。