Molecular Cell:精子發生過程中染色質高級結構“重編程”模式

【字體: 時間:2019年03月06日 來源:生物通

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  該項成果首次在分子水平上對哺乳動物減數分裂過程中的染色質三維結構進行研究,不僅有助于我們理解從配子發生中染色質高級結構折疊過程,也有助于我們深入理解減數分裂過程中染色質同源染色體配對的分子基礎。

  

哺乳細胞配子發生時期染色質高級結構發生劇烈的重編程模式

在真核生物中,線性DNA通過多層級地折疊以特定的三維結構存在于細胞核中。染色質三維結構對于基因調控、DNA復制和細胞分裂等過程具有重要作用,其異常會導致基因表達失調和發育畸形。哺乳動物中,新的生命由精子和卵子的產生、結合以及隨后的早期胚胎發育開啟。在形成配子以及全能性胚胎的過程中,染色質需要經歷減數分裂等重要的生物學進程,并發生一系列顯著的染色質結構重組。然而由于以往的技術所限,人們對這種染色質結構重組的模式、分子機制和功能都知之甚少。

清華大學頡偉教授課題組與南京醫科大學吳鑫教授課題組合作,揭示哺乳動物精子發生過程中染色質高級結構重編程模式與分子基礎。

這一研究成果以“Reprogramming of Meiotic Chromatin Architecture during Spermatogenesis ”(精子發生過程中減數分裂染色質高級結構重編程)為題,在線發表于國際著名期刊Molecular Cell (《細胞 分子生物學》)。

近年來,借助高通量測序染色體構象捕獲(Hi-C)等染色質三維結構研究技術,科研人員獲得了不同物種多種類型細胞的全基因組染色體三維結構信息。頡偉課題組通過開發高靈敏染色質構象檢測技術,發現哺乳動物受精后具有獨特的染色質三維結構和重編程模式,而且發現染色質高級結構在小鼠受精后早期胚胎發育過程中會經歷劇烈的重編程(Nature, 2017; Nature Genetics, 2018)。然而,在這個過程中染色質三維結構在分子水平上究竟是如何折疊和重編程的一直不得而知。

在這篇文章中,研究人員通過研究組此前開發的微量細胞三維基因組檢測技術sisHiC,研究人員對靈長類(獼猴)精子發生過程中的精原細胞、粗線期初級精母細胞、圓形精細胞和成熟精子進行檢測,結果顯示,在精子發生過程中,拓撲結構域TAD經歷了消失和重建的過程,在粗線期初級精母細胞時期基本消失,此后在精子中恢復到和體細胞類似的水平。

研究人員還發現在粗線期初級精母細胞時期出現了一種特殊的精細化的區室結構(compartment),并且這種結構和轉錄活性的關系非常緊密,被定義為精細化區室結構Refined Compartment A/B (Refined A/B)。在這個時期,同源染色體聯會形成聯會復合體,發生同源重組現象。

在小鼠中的研究提示,這種Refined A/B是保守的,而且不會被轉錄抑制實驗消除。如果將精母細胞中聯會復合體結構蛋白Sycp2和DNA拓撲異構酶Top6bl突變,則該精細化區室結構無法正常建立,同時拓撲結構域TAD也能夠部分恢復。這些結果揭示了聯會復合體抑制TAD,促進精細化的區室結構形成的分子基礎。

該項成果首次在分子水平上對哺乳動物減數分裂過程中的染色質三維結構進行研究,不僅有助于我們理解從配子發生中染色質高級結構折疊過程,也有助于我們深入理解減數分裂過程中染色質同源染色體配對的分子基礎。

原文標題:

Reprogramming of Meiotic Chromatin Architecture during Spermatogenesis

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2018.11.019




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