新发现!“唐宝宝”的发生,或与21染色体着丝粒异常有关
2017/11/22
唐氏综合征又称“21-三体综合征”,是最常见的严重出生缺陷病之一,大部分是由于母亲卵子的第21号染色体发生不分离现象所造成的。 近期,科学家们发现,这一异常与染色体上的关键结构——着丝粒有关!


着丝粒位于染色体的中心(图片来源:密歇根大学)

11月15日,《Genome Research》期刊最新发表了一篇题为“Rapid molecular assays to study human centromere genomics”文章,揭示了一种研究着丝粒基因组的新技术,且找到最常见出生缺陷——唐氏综合征背后的致病机理。

“最新研究让我们有机会了解到着丝粒的动态,以及这些DNA序列在进化、疾病过程中是如何变化的。” 文章作者、密歇根大学的内科医学助理教授Rafael Contreras-Galindo表示,“有了这些成果,我们能够探究着丝粒DNA不稳定对其功能的影响。”

着丝粒

真核细胞的每一条染色体都具备一个着丝粒(centromere),它位于染色体的中心位置,是引发出生缺陷、癌症和其他细胞分裂异常相关疾病的关键“嫌疑犯”。

着丝粒是将复制的染色体得以均等分配到子细胞的关键。为了完成这一过程,分裂的细胞会形成纺锤体,并于每一条染色体的着丝粒相连。当细胞分裂时,纺锤体收缩,在着丝粒的作用下,染色体的两条姐妹染色单体分开。一旦着丝粒不稳定,染色体很有可能难以“一分为二”,从而导致子细胞携带异常数量的染色体。

绝大多数生物的着丝粒都是由高度重复的串联序列构成的,这一特殊性增加了测序和研究的难度。

新技术

现在,密歇根大学的研究团队开发了一种新技术,将原先复杂、耗时的着丝粒DNA分析过程升级为一项快速、简易的任务。这一改变可以加快对着丝粒相关疾病的研究。

一开始,研究团队并没有直接研究着丝粒。内科学教授David Markovitz和团队最初更想了解隐藏在基因组中的病毒DNA。这些人类内源性逆转录病毒(HERVs)已经在人类的基因组中潜伏多年,并代代相传。

研究团队曾在艾滋病患者的血液中找到了一种未知的人类内源性逆转录病毒RNA。而且,这些病毒RNA位于某些染色体的着丝粒边缘区域。他们将病毒命名为K111和K222。其中,K111被发现存在于15条染色体的着丝粒序列中,且每一个都发生了轻微的改变。这表明,随着时间,着丝粒的遗传物质会交换至其他染色体上。

以病毒序列为切入点,研究人员借助PCR快速、简易地识别出细胞内几乎所有染色体的着丝粒,并在半小时内分辨出它们。最终,他们成功构建了23条染色体(除19号染色体之外的所有常染色体,以及X、Y染色体)着丝粒的DNA重复模式。

探索与唐氏综合征的关联

研究团队以唐氏综合征为切入点,比较了正常人与患者之间着丝粒基因组的差异。结果显示,对于唐氏综合征患者而言,其21号染色体(包括着丝粒以及近着丝粒区域)存在很大的不稳定性——着丝粒DNA出现丢失和重排。因此,研究团队提出假说:着丝粒的不稳定,导致患者分配到的染色体数量异常。

而且,相比于正常人,唐氏综合征患者体内一种关键蛋白(与着丝粒DNA结合、协助纺锤体附着结构形成)的表达量异常高。

参考资料:

New approach to studying chromosomes' centers may reveal link to Down syndrome and more

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  • Rapid molecular assays to study human centromere genomics

    The centromere is the structural unit responsible for the faithful segregation of chromosomes. Although regulation of centromeric function by epigenetic factors has been well-studied, the contributions of the underlying DNA sequences have been much less well defined, and existing methodologies for studying centromere genomics in biology are laborious. We have identified specific markers in the centromere of 23 of the 24 human chromosomes that allow for rapid PCR assays capable of capturing the genomic landscape of human centromeres at a given time. Use of this genetic strategy can also delineate which specific centromere arrays in each chromosome drive the recruitment of epigenetic modulators. We further show that, surprisingly, loss and rearrangement of DNA in centromere 21 is associated with trisomy 21. This new approach can thus be used to rapidly take a snapshot of the genetics and epigenetics of each specific human centromere in nondisjunction disorders and other biological settings.

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