150年前，俄国科学家Dmitri Mendeleev创造了化学元素周期表，这是一个根据原子核的特性对原子进行分类的系统。如今，在一项新的研究中，一个研究生命之树的生物学家团队公布了一个新的细胞核分类系统，并发现了一种将一种类型的细胞核转化为另一种类型的细胞核的方法。相关研究结果发表在2021年5月28日的Science期刊上，论文标题为“3D genomics across the tree of life reveals condensin II as a determinant of architecture type”。
这项研究是几次单独努力的结果。其中的一个努力聚焦于DNA动物园（DNA Zoo），这是一个由十几个机构组成的国际联盟，包括贝勒医学院、美国国家科学基金会支持的莱斯大学理论生物物理中心（CTBP）、西澳大学和海洋世界（SeaWorld）。DNA动物园团队的科学家们一直在一起工作，对可以有几米长的染色体如何折叠以适应整个生命树上不同物种的细胞核进行分类。无论是观察蠕虫、海胆、海鞘还是珊瑚，他们一直看到相同的折叠模式出现。最终，他们意识到他们看到了两个整体的细胞核结构：在一些物种中，染色体的组装方式就像印刷报纸的页面，外缘在一边，折叠的中间在另一边；在其他物种中，每条染色体都被揉成了一个小球。他们遇到了难题。这些数据提示着，在进化过程中，物种可以在一种细胞核类型和另一种细胞核类型之间来回切换。他们想知道：这种控制机制是什么？是否有可能在实验室里将一种类型的细胞核变为另一种类型的细胞核？与此同时，荷兰的一个独立团队（下称荷兰团队）也发现了一些意想不到的东西。该团队当时正在做一种叫做凝缩蛋白II（condensin II）的蛋白质的实验，他们知道它在细胞如何分裂中起作用，但是他们观察到最奇怪的事情：当在人类细胞中让该蛋白发生突变时，染色体会完全重新排列，这真是令人费解。这两个团队在奥地利山区的一次会议上相遇，并进行相互交流。他们很快意识到，他们找到了一种将人类细胞从一种细胞核类型转换为另一种细胞核类型的方法。
研究生命之树的研究人员揭示了一种新的细胞细胞核分类系统，并发现了一种将一种类型的细胞核转移到另一种类型的细胞核的方法。这张图显示了各种动物和植物的细胞核中染色体接触模式的多样性。图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abe2218。
当看了DNA动物园正在研究的基因组时，他们发现进化已经在他们的实验中发生了很多很多次！当一个物种体内发生的突变破坏了凝缩蛋白II时，这通常会改变细胞核的整体结构。这两个团队决定合作以确认凝缩蛋白II的作用。但随后COVID-19大流行病袭来，世界大部分地区都关闭了。由于难以进入实验室开展研究，荷兰团队只剩下一种方法来确定凝缩蛋白II的作用。通过与莱斯大学的一个研究团队合作，他们开发创建一个计算机程序，它能够模拟凝缩蛋白II对构成每条人类染色体的数亿个碱基的影响。他们的模拟表明通过破坏凝缩蛋白II，他们可以使人类的细胞核重组为类似于果蝇的细胞核。他们开始对20亿年的物种细胞核进化进行了极其广泛的调查。他们发现很多东西都归结为一种简单的机制，该机制他们可以在试管中自行模拟和重现。这是在通往一种新的基因组工程的道路上迈出的令人兴奋的一步。参考资料：
Claire Hoencamp et al. 3D genomics across the tree of life reveals condensin II as a determinant of architecture type. Science, 2021, doi:10.1126/science.abe2218.
