超分辨率顯微鏡

“在許多類型的人類細胞中，染色體間連接可能被證明是染色體組織的一個*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50多年前*發(fā)現(xiàn)的好奇觀察的新認識。

Stowers醫(yī)學(xué)研究所的科學(xué)家在近在線發(fā)表于“細胞生物學(xué)雜志”的一份報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實驗室的研究專家Tamara Potapova博士與Stowers Microscopy和Computational Biology團隊合作，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人類染色體中的五個之間存在聯(lián)-系時，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，但異源染色體之間沒有接觸點，”她說。“我對為什么同樣的五條染色體在許多不同的細胞類型中顯示出連接感到著迷。”

Potapova找到了幾個先前發(fā)表的關(guān)于可能的染色體間連鎖的報告。大多數(shù)這些觀察是在細胞遺傳學(xué)研究期間進行的，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“手牽著手的雜技演員”。

研究人員還確定，除了形成rDNA連接外，拓撲異構(gòu)酶II還可確保染色體分裂時解析染色體之間的rDNA連接。除拓撲異構(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制參與這些類型的相互作用。”

其他研究貢獻者包括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驗室的Martha R. Stampfer博士。

Stowers的研究人員意識到，顯示染色體間連接的五條染色體通過一個共享序列 - 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驗室的共同作者提出，染色體之間rDNA連接的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是拓撲互鎖或鏈接。

互鎖可以通過兩個因素的組合發(fā)生。第-一個因素是核仁中的強烈轉(zhuǎn)錄活性，即細胞核中核糖體生物發(fā)生的位點。第二個因素是來自核仁中不同異源染色體的rDNA序列鏈的存在。由于它們在核仁擁擠的環(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撲異構(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，拓撲異構(gòu)酶II必須不斷地斷裂并重新連接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。