还记得生物课本上对于有丝分裂过程的描述吗?当细胞由间期进入分裂期,为了将遗传物质平均分配到两个子代细胞中,原本松散的染色质会被压缩成致密的染色体(两个染色单体通过着丝粒相连)。随后,两侧的纺锤体在分裂过程中分别牵引两条染色单体,使得它们高效地向两端移动。在这个确凿的故事中,还有一个尚未得到解决的问题:染色体是如何被压缩,从而被纺锤体顺利地移向细胞两极的?
之所以存在这个问题,要从纺锤体的作用机制说起。纺锤体由数千根微管组成,有趣的是,不同微管会向染色体施加截然相反的作用力:与着丝粒相连的微管提供拉力,将两条染色单体分别向自身这一侧牵引;但其他不接触着丝粒的微管却会施加相反的斥力。不难想象,如果后者占据上风,会导致染色体分配无法顺利进行。
在近期发表于《自然》的研究中,奥地利科学院分子生物学研究所(IMBA)等机构的科学家找到了答案。
他们发现,组蛋白去乙酰化是染色质能够被压缩为致密的染色体、抵御微管斥力的关键。此前的研究表明,在开始分裂的细胞中,染色质在凝缩蛋白(一种蛋白质复合体)的帮助下折叠成环状。不过,凝缩蛋白本身不足以解释为什么染色体会变得如此紧致。另一些研究提出,组蛋白乙酰化起到了调控分裂时染色体紧致程度的作用。但组蛋白乙酰化与凝缩蛋白的相互作用及其功能尚不明确。
为了探究凝缩蛋白与组蛋白乙酰化这两个因素各自对染色体的影响,研究团队进行了控制变量实验。结果,移除凝缩蛋白会在细胞分裂时干扰染色体的拉伸形态、降低对拉力的抵御能力,但不会影响压缩程度。而在移除凝缩蛋白的同时使用抑制组蛋白去乙酰化的药物(即提升组蛋白乙酰化的水平),会导致分裂细胞中大量染色质解除压缩的状态、重新变得松散,这时微管能够贯穿染色体。
由此,研究验证了组蛋白去乙酰化对于维持染色体紧致形态的作用。接下来,研究团队进一步检验了乙酰化水平对染色体状态的影响。他们借助酶将分裂期的染色体切割成小的片段,结果这些染色体片段以液滴的形态存在;但当组蛋白乙酰化水平升高,这些染色体液滴会溶解在细胞质中。这些实验结果表明,有丝分裂时的组蛋白去乙酰化,使得染色体通过相分离处于不可溶的状态,为抵御微管的贯穿奠定了物理基础。