染色體長什麼樣？與你想象的不一樣

對於所有的生物來說，創造出的新細胞來取代那些因老舊而無法正常運作的細胞都是維持生命所必要的過程。為此，細胞會透過分裂並複製DNA來做到這一點。DNA“居住”在

染色體

內部，被染色質

（染色體內部的物質）

所包圍。

一個長鏈DNA如果呈直線延展，可以延伸到約1。8米的長度。為了將自己“封裝”進染色體這種複雜的結構中，長長的DNA需要藉助組蛋白讓自己纏繞成緊密的結構，當DNA在複製或重新纏繞的過程中出現了任何錯誤，都有可能導致基因突變或功能障礙。因此，理解包圍了這些DNA的染色質的3D構造，這些構造背後的分子機制，以及它們會如何調節基因組的功能是非常關鍵的。然而，這一點卻並不容易做到。

在教科書中，人類的46條兩兩成對的染色體常被描繪成X形，然而這種描繪並不準確。用研究人員

Jun-Han Su

的話來說：“在90%的情況下，染色體並不這樣。”

人類的23對染色體。| 圖片來源：National Human Genome Research Institute

今年8月，《細胞》雜誌上刊登了一項新的研究，作為該論文的第一作者，Su與哈佛大學的

莊小威

教授以及其他研究人員報告了一種新的方法，他們用一種3D成像技術捕捉到了人類染色體的高解析度影象。

在新研究中，研究人員利用一種新的高解析度3D成像方法，對染色質的結構和行為一同進行了研究。他們使用了46條染色體的廣角鏡頭影象和一條染色體的一個部分的特寫鏡頭影象。為了視覺化那些仍然因為太小無法成像的東西，

他們沿著每個DNA鏈捕捉

基因組位點

（基因座）

，透過將大量的這些位點接起來，為染色質結構構建了一個全面而詳盡的影象，並確定了一個位點會如何影響另一個位點。

然而在這個建立影象的過程中，研究人員曾面臨一個技術性的障礙。據研究人員介紹，在以往的研究中，能夠被成像並被識別的位點數量受到所能成像的顏色數量制約，而這個顏色數量的極限為3個。很顯然，僅使用3個點是不能勾勒一幅全面的圖景的。

為了解決這個問題，研究人員採用了一個巧妙的方法：他們先給三個不同的基因座成像，然後“滅”掉這個訊號，再迅速地連續給另外三個基因座成像。透過這種方法，每個點都有兩個識別標記：顏色和影象。

據莊教授介紹，他們有60個基因座可以被同時成像、定位、識別。但若想要覆蓋整個基因組，這個數字還要更大，大到數以千計。因此，他們轉而啟用了一種

二進位制

方法，

這是一種早被用於梳理和儲存大量資訊的語言。他們給不同的染色質基因座上”加印“上二進位制條形碼，例如在第一輪中被成像的分子但沒有在第二輪成像的分子，將得到以“10”開頭的條形碼。

透過這種加印二進位制條形碼的方法，他們可以只需進行20輪成像，就識別出2000個分子，大大增加了被成像和識別的分子數量。在這種技術的幫助下，研究人員最終對每個細胞的約2000個染色質基因座進行了成像，這比他們在此之前進行的研究增加了十倍以上，從而以高解析度繪製出了染色質結構的3D影象。

研究產生的彩色染色質影象。| 圖片來源：莊小威實驗室

然而，他們的探索並沒有止步於此，他們還對轉錄活性

（當RNA從DNA複製遺傳物質時）

以及核結構

（如核斑點和核仁）

進行了成像。有了基因組的3D繪圖，他們就能著手分析結構是如何隨時間變化的，以及這些區域的運動是如何幫助或傷害細胞的分裂和複製的。

研究人員已經知道，染色質會被分成不同的區塊；然而他們尚不知道的是這些區域在不同的細胞型別中會是什麼樣子，以及它們又會如何工作。透過這些高解析度的影象，研究人員確定了，那些有著很多基因的區域傾向於在所有染色體上的相似區域上聚集；而基因較少的區域只有在擁有相同染色體的情況下才會聚集在一起

。

有一種理論認為，基因豐富的區域

（即基因轉錄活躍的區域）

會像一個工廠一樣，能把基因聚集在一起，使得生產更加高效。雖然在證實這一理論之前還需要進行更多的研究，但可以肯定的是——染色質的區域性環境會影響轉錄活性，它們的結構也會影響功能。

一直以來，想要透過放大來看清染色質的結構是很困難的，要同時考慮其結構和功能更是困難。這項研究所得到的影象不僅為那些被描繪成X形的染色體提供了更復雜、更精確的符號，使得科學家得以更準確地認識染色體的真實樣貌，還能幫助他們解開染色體結構如何影響其功能的謎團。

此外，這些影象還讓研究人員意識到，即使是在完全相同的細胞中，也不存在兩條完全相同的染色體。因此莊教授表示，要想知道人體每個細胞中的每條染色體是什麼樣子，僅依靠一個團隊的力量是不夠的，這需要更多的科學家團隊也加入這項研究，以獲得更加全面的瞭解。

參考來源：

https：//phys。org/news/2020-11-chromosomes。html

https：//doi。org/10。1016/j。cell。2020。07。032

封面圖來源：莊小威實驗室 & National Cancer Institute