染色體長什么樣？與你想象的不一樣！

對于所有的生物來說，創造出的新細胞來取代那些因老舊而無法正常運作的細胞都是維持生命所必要的過程。為此，細胞會通過分裂并復制DNA來做到這一點，DNA“居住”在染色體內部，被染色質（染色體內部的物質）所包圍，

一個長鏈DNA如果呈直線延展，可以延伸到約1.8米的長度。為了將自己“封裝”進染色體這種復雜的結構中，長長的DNA需要借助組蛋白讓自己纏繞成緊密的結構，當DNA在復制或重新纏繞的過程中出現了任何錯誤，都有可能導致基因突變或功能障礙。因此，理解包圍了這些DNA的染色質的3D構造，這些構造背后的分子機制，以及它們會如何調節基因組的功能是非常關鍵的。然而，這一點卻并不容易做到，

在教科書中，人類的46條兩兩成對的染色體常被描繪成X形，然而這種描繪并不準確，用研究人員Jun-Han Su的話來說：“在90%的情況下，染色體并不這樣，”

人類的23對染色體。| 圖片來源：National Human Genome Research Institute

今年8月，《細胞》雜志上刊登了一項新的研究，作為該論文的第一作者，Su與哈佛大學部的莊小威教授以及其他研究人員報告了一種新的方法，他們用一種3D成像技術捕捉到了人類染色體的高分辨率圖像，

在新研究中，研究人員利用一種新的高分辨率3D成像方法，對染色質的結構和行為一同進行了研究。他們使用了46條染色體的廣角鏡頭圖像和一條染色體的一個部分的特寫鏡頭圖像，為了可視化那些仍然因為太小無法成像的東西，他們沿著每個DNA鏈捕捉基因組位點（基因座），通過將大量的這些位點接起來，為染色質結構構建了一個全面而詳盡的圖像，并確定了一個位點會如何影響另一個位點。

然而在這個創建圖像的過程中，研究人員曾面臨一個技術性的障礙。據研究人員介紹，在以往的研究中，能夠被成像并被識別的位點數量受到所能成像的顏色數量制約，而這個顏色數量的極限為3個。很顯然，僅使用3個點是不能勾勒一幅全面的圖景的，

為了解決這個問題，研究人員采用了一個巧妙的方法：他們先給三個不同的基因座成像，然后“滅”掉這個信號，再迅速地連續給另外三個基因座成像，通過這種方法，每個點都有兩個識別標記：顏色和圖像，

據莊教授介紹，他們有60個基因座可以被同時成像、定位、識別。但若想要覆蓋整個基因組，這個數字還要更大，大到數以千計，因此，他們轉而啟用了一種二進制方法，這是一種早被用于梳理和存儲大量資訊的語言，他們給不同的染色質基因座上”加印“上二進制條形碼，例如在第一輪中被成像的分子但沒有在第二輪成像的分子，將得到以“10”開頭的條形碼。

通過這種加印二進制條形碼的方法，他們可以只需進行20輪成像，就識別出2000個分子，大大增加了被成像和識別的分子數量。在這種技術的幫助下，研究人員最終對每個細胞的約2000個染色質基因座進行了成像，這比他們在此之前進行的研究增加了十倍以上，從而以高分辨率繪制出了染色質結構的3D圖像。

研究產生的彩色染色質圖像，| 圖片來源：莊小威實驗室

然而，他們的探索并沒有止步于此，他們還對轉錄活性（當RNA從DNA復制遺傳物質時）以及核結構（如核斑點和核仁）進行了成像，有了基因組的3D繪圖，他們就能著手分析結構是如何隨時間變化的，以及這些區域的運動是如何幫助或傷害細胞的分裂和復制的，

研究人員已經知道，染色質會被分成不同的區塊；然而他們尚不知道的是這些區域在不同的細胞類型中會是什么樣子，以及它們又會如何工作。通過這些高分辨率的圖像，研究人員確定了，那些有著很多基因的區域傾向于在所有染色體上的相似區域上聚集；而基因較少的區域只有在擁有相同染色體的情況下才會聚集在一起，

有一種理論認為，基因豐富的區域（即基因轉錄活躍的區域）會像一個工廠一樣，能把基因聚集在一起，使得生產更加高效，雖然在證實這一理論之前還需要進行更多的研究，但可以肯定的是——染色質的局部環境會影響轉錄活性，它們的結構也會影響功能，

一直以來，想要通過放大來看清染色質的結構是很困難的，要同時考慮其結構和功能更是困難。這項研究所得到的圖像不僅為那些被描繪成X形的染色體提供了更復雜、更精確的符號，使得科學家得以更準確地認識染色體的真實樣貌，還能幫助他們解開染色體結構如何影響其功能的謎團，

此外，這些圖像還讓研究人員意識到，即使是在完全相同的細胞中，也不存在兩條完全相同的染色體。因此莊教授表示，要想知道人體每個細胞中的每條染色體是什么樣子，僅依靠一個團隊的力量是不夠的，這需要更多的科學家團隊也加入這項研究，以獲得更加全面的了解。

參考來源：

https:http://phys.org/news/2020-11-chromosomes.html

https:http://doi.org/10.1016/j.cell.2020.07.032

封面圖來源：莊小威實驗室 & National Cancer Institute