神秘蛋白質可使人類DNA形態演變成不同結構

  新浪科技訊 北京時間6月9日消息,人類和蚊子的細胞核都具有自己的形狀,目前,研究人員發現這兩種生物DNA變體非常微妙,可以轉化為不同形態,甚至能使人類DNA結構像蚊子DNA一樣。

  人類和蚊子DNA之間的差異不僅限於基因密碼的字母排列,如果你切開人類細胞和蚊子細胞,用顯微鏡仔細觀察它們的細胞核,就會發現它們的染色體是用一種截然不同的「基因摺紙」方式進行摺疊,現在研究人員現已發現如何將一種DNA摺疊成另一種DNA的形狀,可使人類DNA像蚊子DNA一樣形成線圈結構。

  荷蘭阿姆斯特丹大學癌症生物學博士候選人克萊爾·霍恩坎普說:「在人類細胞核中,染色體是整齊排列在一起的。」她在媒體視頻採訪中,一邊揉皺著紙張,一邊在視頻電話中指出,與人類細胞核不同,蚊子細胞核中的染色體在中間部位出現摺疊。她一邊說,一邊將手中的幾張紙對摺起來,像書架上的書一樣整齊放好,「書頁」朝外。

  霍恩坎普正在研究一種參与細胞分裂的蛋白質——凝縮素II,在一項實驗中,她破壞了人類細胞中的這種蛋白質,從而觀察其對細胞周期的影響。就像經過精心編排的動作,由此產生的細胞染色體會重新摺疊,但它不像人類細胞核中DNA那樣重新摺疊,相反,它會演變成對蚊子細胞核內部的最佳結構呈現。

  與此同時,美國德克薩斯州貝勒大學基因組結構中心博士后研究員奧爾加·杜琴科正在依據染色體形成的3D結構對基因組進行分類,作為多機構項目「DNA動物園」的聯合主管,她發現了一些獨特的DNA模式。

  杜琴科說:「從本質上講,我們可以把人類和蚊子DNA分為兩個基本結構,人類基因組具有緊密纏繞和天然隔離的屬性,而蚊子基因組的排列則比較鬆散,無論我們研究了多少支物種,染色體都具有兩種基本形狀的變體。」

  令人感到困惑的是,杜琴科最新研究表明,一些世系基因會使用一種形態,之後進化而第二種形態,然後在很多情況下又會進化至一種形態。然而,她並不知道什麼因素驅動這種變化(如果有的話)。

  當他們在奧地利一次會議上展示這項最新研究時,兩個研究團隊意識到他們正在從不同角度解決同一個問題,從本質上講,霍恩坎普發現可以摺疊染色體的蛋白質,杜琴科發現霍恩坎普的實驗在進化時間尺度上能自然進行。

  在他們決定合作之後,出現全球範圍的新冠疫情大爆發,隨著實驗室實地操作的中斷,合作者開始轉向計算機模擬,從而更好地理解凝縮素II在細胞核組織中的作用。在美國萊斯大學實驗室的幫助下,他們模擬了凝縮素II對基因組數百萬至數十億個基因字母的影響,證實了霍恩坎普在之前實驗中發現的結果。

  在5月28日發表在《科學》雜誌的一項基因分析中,研究人員觀察了24支物種,發現染色體排列鬆散的物種存在一個共同點:破裂的凝縮素II基因。

  未來的研究將致力於研究細胞核結構的進化優勢,當研究人員檢查基因表達時,他們發現染色體的摺疊結構僅輕微影響基因表達,或者影響不同基因產生的每種蛋白質的多少,該發現令霍恩坎普感到驚訝。

  考慮到DNA摺疊對基因表達的影響微乎其微,我們還不清楚為什麼某些物種會以不同方式摺疊它們的DNA,然而,由於這兩種DNA摺疊方法都是在生物進化樹中發現的,每種方法的微妙影響可能具有重大意義。杜琴科說:「染色體3D結構的變化似乎是微調的結果,然而究竟是怎麼調整的,仍然是個謎團。」(葉傾城)

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