新研究揭示有丝分裂中隐藏的基因组结构

在细胞进行有丝分裂之前，细胞必须先复制所有染色体，以确保每个子细胞都能获得完整的一套遗传物质。

在细胞的生命周期中，基因组的三维结构与功能紧密相连。长期以来，科学界一直认为，在分裂过程中，基因组会失去这些独特的三维结构。此外，科学家还认为，当分裂完成后，基因组会逐渐恢复成复杂的球状三维结构——这种结构对于调控特定细胞中哪些基因被激活起着至关重要的作用。

然而，一项新的研究表明，这一传统认识并不完全正确。

惊人的发现

过去20多年来，科学家发现，在细胞核中，DNA会自组织成三维环结构。虽然许多环结构能够让相距数百万碱基对的基因与调控区域发生相互作用，但也有一些在细胞分裂过程中形成，用于压缩和排列染色体。

这些三维环状结构主要是通过一种名为Hi-C技术绘制的。这种方法会利用酶，将基因组切割成许多小的片段，再将在细胞核内的三维空间中彼此靠近的片段进行生化连接。随后，科学家就可以通过测序来识别相互作用的片段。

然而，Hi-C的分辨率仍不足以精确识别基因与调控元件（如增强子）之间的所有特定相互作用。增强子是DNA上的短序列，可以通过结合基因的启动子（转录的起始点）来帮助激活转录。

在一项于2023年发表的研究中，生物工程学教授Anders Hansen和他的团队报告了一种分辨率比以往高出100到1000倍的新技术——区域俘获微C（Region-Capture Micro-C, RC-MC）。这种方法使用不同的酶，将基因组切割成大小相似的小片段，并专注于较小的基因组区域，从而能够对目标区域进行超高分辨率的三维绘图。

利用这一技术，研究人员首次识别出一种前所未见的基因组结构，他们称之为 “微区室（microcompartment）”——由一些高度相连的微型环组成，当位于彼此附近的增强子和启动子靠近并结合时便会形成。

基因组三维结构中存在的“微区室”（图中黄色部分）。这些微区室由微小的环状结构形成，可能在基因调控中发挥作用。（图/Ed Banigan, edited by MIT News）

在论文中，实验表明这些环的形成机制与其他基因组结构不同，但不确定其具体形成过程。

意外的存在

为探究这一问题，研究团队开始分析细胞在有丝分裂过程中的结构变化。科学家已经知道，在有丝分裂过程中，染色体会高度压缩，以便被复制、分配到两个子细胞中。而那些较大的三维结构会在此时完全消失。

研究人员原以为，他们发现的微区室也会在有丝分裂中消失。因此，他们追踪了整个细胞分裂过程，希望了解这些微区室在分裂完成后是如何重新出现的。

然而，他们意外地观察到，微区室在有丝分裂过程中仍然可见，甚至在分裂后期变得更加明显。与此同时，研究人员也观察到，那些较大的三维结构确实会在分裂期间消失——与早先的观察结果一致。

研究人员认为，这些发现或许可以解释通常在有丝分裂末期观察到的基因转录尖峰现象：自20世纪60年代起，人们普遍认为转录在有丝分裂期间完全停止；然而，2016至2017年间的研究发现，细胞会经历一次短暂的转录激增，随后迅速被抑制，直至分裂结束。

新的研究发现，在有丝分裂过程中，微区室更常出现在这些出现“转录尖峰”的基因附近。他们还发现，这些环的形成似乎与染色体压缩有关——压缩使增强子与启动子靠得更近，从而粘连形成微区室。

一旦这些环形成，它们可能会偶然触发基因转录，但很快又被细胞关闭。当细胞完成分裂时，许多小环会减弱甚至消失。

从未消失的结构

研究人员表示，这一发现有助于人们重新认识有丝分裂，它将基因组的空间结构与其调控基因开关的功能联系了起来。过去的观点认为，有丝分裂是“白纸一张”——没有转录活动，也没有与基因活性相关的结构。而新的结果表明，事实并非如此——一些三维结构始终存在，从未真正消失。

目前，由于染色体压缩也会受到细胞大小和形状的影响，研究团队正在探索这些因素的变化是如何进一步影响基因组结构与基因调控的。

#参考来源：

https://news.mit.edu/2025/surprising-discovery-scientists-find-tiny-loops-genomes-dividing-cells-1017

https://www.nature.com/articles/s41594-025-01687-2

#图片来源：

封面图&首图：Ed Banigan, edited by MIT News