科学家以真核生物3D基因组揭示更高级的染色体结构

2019年9月19日，山东大学生物技术研究院佘群新团队在Cell发表了题为Crenarchaeal 3D Genome: A Prototypical Chromosome Architecture for Eukaryotes的评论性文章。在本期Cell中，Takemata等人。证明聚结素（ClsN），促进了更高水平的染色体组织，它与后生动物比细菌具有更大的相似性。他们的研究揭示了古埃及人染色体组织的生物学功能，并对真核细胞染色体分裂的进化提供了见解。

在真核生物中，这些研究揭示了三维（3d）基因组拓扑结构的三个远距离水平：（1）染色体划分的最上层，其中转录活跃区和不活跃区的染色体间隔被分隔成不同的核位置；（2）第二层，即形成具有清晰边界的丰富接触频率平方的拓扑关联域（TADS）；（3）基本水平的相互作用，称为峰或环，通常可见于TAD方格角的焦点富集。然而，在细菌中，较高水平的染色体组织化仅限于形成自我相互作用的结构域，以挤压环的形式出现。

有趣的是，在这一期的Cell中，Takemata等人（2019）通过对三维基因组的研究，表明crenarchaeal染色体在细胞中被划分为两个空间分布不同的小室。原核细菌虽然是原核生物，但可能采用了真核生物所观察到的所有三种染色体组织，这与其姐妹原核生物细菌的染色体组织形成了严格的对照。

高级染色体结构

细菌3D基因组显示由Oric（细菌染色体上复制的唯一来源）向复制末端（TER）方向的定向凝聚素介导的环挤压。由于在进行基因组分离和细胞分裂之前，oric必须在快速生长的细菌细胞中进行多次分裂，由此产生的含有oric的染色体片段构成了细菌染色体上最有组织的区域。这种染色体结构确保细菌能够有效地控制染色体复制，并将其与基因组分离相结合，这是细菌细胞周期的主要限制因素。有趣的是，在这些细胞中重新启动染色体复制也会产生一个基因剂量梯度，使得在Oric-近端位置的基因拷贝数高于在Oric-远端位置的基因拷贝数，这将最终在细胞周期中产生整个染色体上的差异基因表达。

真核细胞型染色体分离的发现引起了许多突出的研究问题。例如，鉴于它们的高水平染色体组织必须涉及其他蛋白质参与者，如细菌和真核生物，它们的身份是什么？染色体结构的重组是否像真核生物中的组织特异性表达一样，作为调节环古菌基因组表达的机制？在那些缺乏SMC凝聚蛋白和类似ClsN蛋白的古细菌中，染色体是如何组织的？重点研究将揭示这些问题的答案在未来数年。

关于基因组

在分子生物学和遗传学领域，基因组是指生物体所有遗传物质的总和。这些遗传物质包括DNA或RNA（病毒RNA）。基因组包括编码DNA和非编码DNA、线粒体DNA和叶绿体DNA。