研究细胞分裂的科学家团队开发了一种特殊的光学显微镜系统，并用它来分析细胞环境的分子密度。他们的研究结果为人类活细胞中有丝分裂染色体凝聚提供了新的见解。
他们的研究成果于 2024 年 8 月 27 日发表在 美国科学院院刊 （PNAS）上。
为了开展研究，该团队开发了一种与方向无关的微分干涉对比 (OI-DIC) 显微镜系统，结合共聚焦激光扫描显微镜，能够精确绘制光程差并估计分子密度。
有丝分裂染色体凝聚是细胞分裂过程中将复制的染色体传递给两个子细胞的重要过程。为了研究这一过程的潜在物理原理，我们研究了耗竭吸引力（一种在拥挤的细胞环境中吸引大型结构的力量）是否参与了这一过程。
Shiori Iida，国家遗传学研究所基因组动力学实验室
在染色体凝聚过程中，染色质链被压缩成短染色体。这个过程使染色体变得坚硬，以抵抗纺锤体的拉力。虽然参与凝聚过程的几种蛋白质已被鉴定并得到广泛研究，包括凝聚蛋白和拓扑异构酶 IIα，但凝聚过程的物理基础仍不清楚。“利用新开发的特殊光学显微镜，可以对细胞环境的分子密度进行成像，我们发现在细胞分裂过程中染色体周围的拥挤会增加（图 1），从而导致耗竭吸引力增加。我们的结果表明，耗竭吸引力的增加使染色体更加坚硬，确保细胞分裂过程中染色体的准确传递（图 2），”Iida 说。
“我们新颖的光学显微镜系统使我们能够获得匹配的高分辨率光程差和共焦图像，从而获得活细胞中的精确绝对密度。这种 OI-DIC 成像能够生成活细胞中折射率和分子密度或干质量的 3D 体积图像。借助 OI-DIC 系统，我们可以量化活细胞有丝分裂期间染色体周围分子的绝对密度，”伍兹霍尔海洋生物实验室的 Michael Shribak 说道。该团队分析了人类 HCT116 细胞和印度麂 DM 细胞在不同细胞周期阶段的细胞质和核质中的绝对密度。人类 HCT116 细胞是人类结肠癌细胞。印度麂是一种鹿，是所有哺乳动物中染色体数量最低的，因此它们的细胞非常适合有丝分裂研究。
他们的分析显示，染色体周围的分子密度随着有丝分裂前期到后期的进展而增加，与染色体凝聚同时发生（图1）。然而，当染色体开始解凝聚时，分子密度在末期下降。使用低渗或高渗处理有丝分裂细胞，该团队观察到染色体凝聚程度的一致变化。使用高渗处理有丝分裂细胞，密度和诱导染色体凝聚迅速上升，而低渗处理则产生相反的效果。
然后，为了进一步支持他们在 HCT116 细胞中的发现，该团队检查了另一个细胞系，即印度麂 DM 细胞。这些 DM 细胞源自鹿成纤维细胞，具有非常大的有丝分裂染色体。他们在 DM 细胞中获得的结果支持了他们在人类 HCT116 细胞中的发现。这表明染色体环境密度的短暂上升可能是有丝分裂细胞的共同特征。
研究小组发现，高浓度的大分子会使染色质凝结，使其在体外变得更硬，更像固体 。“据我们所知，我们是第一个证明耗竭吸引力/大分子拥挤会将阳离子形成的纤维染色质凝结物在体外转化为液滴的人 ，”国家遗传研究所和高等研究院基因组动力学实验室的 Kazuhiro Maeshima 说。
“我们的研究结果表明，耗竭吸引力的增加使染色体更加坚硬，从而确保细胞分裂期间染色体的准确传递。分子密度的瞬时上升似乎是由有丝分裂期间的核膜破裂引起的（图 2）。核膜破裂后，核膜、核孔复合体、核层和核仁被分解成小块。结果，细胞质和核仁因子暴露于染色体，并充分促进耗竭吸引力的增加。这为我们提供了对活体人类细胞中有丝分裂染色体凝聚的物理基础的新见解，”Maeshima 说。
“在这项研究中，我们发现有丝分裂染色体在细胞分裂过程中被一种称为耗竭引力的物理力所凝聚。展望未来，我们的目标是阐明DNA 的物理特性以及影响其特性的物理力如何促进 DNA 交易，包括转录、DNA 复制和修复，”Iida 说。
