新研究揭示有絲分裂中隱藏的基因組結構

在細胞進行有絲分裂之前，細胞必須先復制所有染色體，以確保每個子細胞都能獲得完整的一套遺傳物質。

在細胞的生命周期中，基因組的三維結構與功能緊密相連。長期以來，科學界一直認為，在分裂過程中，基因組會失去這些獨特的三維結構。此外，科學家還認為，當分裂完成后，基因組會逐漸恢復成復雜的球狀三維結構——這種結構對于調控特定細胞中哪些基因被激活起著至關重要的作用。

然而，一項新的研究表明，這一傳統認識并不完全正確。

驚人的發現

過去20多年來，科學家發現，在細胞核中，DNA會自組織成三維環結構。雖然許多環結構能夠讓相距數百萬堿基對的基因與調控區域發生相互作用，但也有一些在細胞分裂過程中形成，用于壓縮和排列染色體。

這些三維環狀結構主要是通過一種名為Hi-C技術繪制的。這種方法會利用酶，將基因組切割成許多小的片段，再將在細胞核內的三維空間中彼此靠近的片段進行生化連接。隨后，科學家就可以通過測序來識別相互作用的片段。

然而，Hi-C的分辨率仍不足以精確識別基因與調控元件（如增強子）之間的所有特定相互作用。增強子是DNA上的短序列，可以通過結合基因的啟動子（轉錄的起始點）來幫助激活轉錄。

在一項于2023年發表的研究中，生物工程學教授Anders Hansen和他的團隊報告了一種分辨率比以往高出100到1000倍的新技術——區域俘獲微C（Region-Capture Micro-C, RC-MC）。這種方法使用不同的酶，將基因組切割成大小相似的小片段，并專注于較小的基因組區域，從而能夠對目標區域進行超高分辨率的三維繪圖。

利用這一技術，研究人員首次識別出一種前所未見的基因組結構，他們稱之為 “微區室（microcompartment）”——由一些高度相連的微型環組成，當位于彼此附近的增強子和啟動子靠近并結合時便會形成。

基因組三維結構中存在的“微區室”（圖中黃色部分）。這些微區室由微小的環狀結構形成，可能在基因調控中發揮作用。（圖/Ed Banigan, edited by MIT News）

在論文中，實驗表明這些環的形成機制與其他基因組結構不同，但不確定其具體形成過程。

意外的存在

為探究這一問題，研究團隊開始分析細胞在有絲分裂過程中的結構變化。科學家已經知道，在有絲分裂過程中，染色體會高度壓縮，以便被復制、分配到兩個子細胞中。而那些較大的三維結構會在此時完全消失。

研究人員原以為，他們發現的微區室也會在有絲分裂中消失。因此，他們追蹤了整個細胞分裂過程，希望了解這些微區室在分裂完成后是如何重新出現的。

然而，他們意外地觀察到，微區室在有絲分裂過程中仍然可見，甚至在分裂后期變得更加明顯。與此同時，研究人員也觀察到，那些較大的三維結構確實會在分裂期間消失——與早先的觀察結果一致。

研究人員認為，這些發現或許可以解釋通常在有絲分裂末期觀察到的基因轉錄尖峰現象：自20世紀60年代起，人們普遍認為轉錄在有絲分裂期間完全停止；然而，2016至2017年間的研究發現，細胞會經歷一次短暫的轉錄激增，隨后迅速被抑制，直至分裂結束。

新的研究發現，在有絲分裂過程中，微區室更常出現在這些出現“轉錄尖峰”的基因附近。他們還發現，這些環的形成似乎與染色體壓縮有關——壓縮使增強子與啟動子靠得更近，從而粘連形成微區室。

一旦這些環形成，它們可能會偶然觸發基因轉錄，但很快又被細胞關閉。當細胞完成分裂時，許多小環會減弱甚至消失。

從未消失的結構

研究人員表示，這一發現有助于人們重新認識有絲分裂，它將基因組的空間結構與其調控基因開關的功能聯系了起來。過去的觀點認為，有絲分裂是“白紙一張”——沒有轉錄活動，也沒有與基因活性相關的結構。而新的結果表明，事實并非如此——一些三維結構始終存在，從未真正消失。

目前，由于染色體壓縮也會受到細胞大小和形狀的影響，研究團隊正在探索這些因素的變化是如何進一步影響基因組結構與基因調控的。

#參考來源：

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

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

#圖片來源：

封面圖&首圖：Ed Banigan, edited by MIT News