陈波研究员课题组在人类染色体精细三维结构  

研究上取得重要进展

      当我们提及染色体时，总会感到一种息息相关却又捉摸不定的神秘感，脑海中通常会下意思地联想到熟悉的“X”型。不过你是否想过，染色体也有可能不是 “X”型的呢？    

 实际上传统光学显微镜的分辨率有限，而电子显微镜长期以来只具备观测物质二维结构的能力，我们对于人类染色体几十纳米至两三百纳米范围内的精细结构及其组织形态一直很不清楚。我校材料科学与工程学院陈波研究员和Ian Robinson客座教授课题组使用一种新开发的设备--连续切片式扫描电子显微镜，在约50nm的三维高分辨率观测条件下，获取了人类细胞核的三维结构图像，并从图像中提取了相关结构信息，定量地揭示了人类染色体和细胞核的三维空间结构，研究成果发布在Science系列杂志Science Advances上。研究发现“X”型染色体并不是唯一的，反而“S”型和“C”型的染色体更为常见，其中尺寸越大的染色体越偏向呈现“S”型或“C”型，而只有尺寸较小的染色体才趋向于呈现我们所熟识的“X”型。研究同时发现，在细胞核成型前期，染色体的排列并非是随机无序的，基因密度越高的染色体越趋向于向细胞核中心聚集，而基因密度较低的则更靠近细胞核膜。根据实验结果，研究人员推断在整个细胞周期中，染色质是在其所在的染色体区域内逐渐凝聚的；而在凝聚过程中，各染色体的姐妹染色单体的形态并不完全相同，而只是保持着相近的体积。研究人员对所获取的细胞核和染色体三维结构进行定量分析计算，得出单个碱基对的体积为6.69立方纳米；姐妹染色单体呈圆柱状，而无论染色体的尺寸大小，其姐妹染色单体的直径保持在765纳米左右。此外，该研究小组根据所获取的染色体三维形貌结构和尺寸信息，提出了一种潜在的用于鉴定人类染色体的方法。这是一种基于三维结构的染色体鉴定新方法，有别于传统的多色荧光原位杂化技术（M-FISH）。该方法有望应用于未来使用三维成像技术鉴定人类染色体。        

图: 左图为内含人类染色体的细胞核在SBFSEM测试下获得的切片图; 右图为内含人类染色体的细胞核三维结构图, 淡蓝色的是细胞核膜，染色体用不同颜色着色。    

    该研究团队在英国生物技术和生物科学研究委员会、英国工程和物理科学研究委员会和同济大学的共同支持下完成了论文中所述工作。作者将直观而极具说服力的新型方法应用到生物学以及生物组织材料领域当中，并有望在未来借助在同济大学材料科学与工程学院最新建设的SBFSEM实验室进行更深入的研究，其中包括通过对处于不同细胞周期阶段的细胞核（和染色体）的三维结构对比，对染色质的凝聚过程做进一步的深入解析。