在新研究中，研究人员利用一种新的高分辨率3D成像方法，对染色质的结构和行为一同进行了研究。他们使用了46条染色体的广角镜头图像和一条染色体的一个部分的特写镜头图像。为了可视化那些仍然因为太小无法成像的东西，他们沿着每个DNA链捕捉基因组位点（基因座），通过将大量的这些位点接起来，为染色质结构构建了一个全面而详尽的图像，并确定了一个位点会如何影响另一个位点。
然而在这个创建图像的过程中，研究人员曾面临一个技术性的障碍。据研究人员介绍，在以往的研究中，能够被成像并被识别的位点数量受到所能成像的颜色数量制约，而这个颜色数量的极限为3个。很显然，仅使用3个点是不能勾勒一幅全面的图景的。
为了解决这个问题，研究人员采用了一个巧妙的方法：他们先给三个不同的基因座成像，然后“灭”掉这个信号，再迅速地连续给另外三个基因座成像。通过这种方法，每个点都有两个识别标记：颜色和图像。
据庄教授介绍，他们有60个基因座可以被同时成像、定位、识别。但若想要覆盖整个基因组，这个数字还要更大，大到数以千计。因此，他们转而启用了一种二进制方法，这是一种早被用于梳理和存储大量信息的语言。他们给不同的染色质基因座上”加印“上二进制条形码，例如在第一轮中被成像的分子但没有在第二轮成像的分子，将得到以“10”开头的条形码。
通过这种加印二进制条形码的方法，他们可以只需进行20轮成像，就识别出2000个分子，大大增加了被成像和识别的分子数量。在这种技术的帮助下，研究人员最终对每个细胞的约2000个染色质基因座进行了成像，这比他们在此之前进行的研究增加了十倍以上，从而以高分辨率绘制出了染色质结构的3D图像。
研究产生的彩色染色质图像。| 图片来源：庄小威实验室
然而，他们的探索并没有止步于此，他们还对转录活性（当RNA从DNA复制遗传物质时）以及核结构（如核斑点和核仁）进行了成像。有了基因组的3D绘图，他们就能着手分析结构是如何随时间变化的，以及这些区域的运动是如何帮助或伤害细胞的分裂和复制的。
研究人员已经知道，染色质会被分成不同的区块；然而他们尚不知道的是这些区域在不同的细胞类型中会是什么样子，以及它们又会如何工作。通过这些高分辨率的图像，研究人员确定了，那些有着很多基因的区域倾向于在所有染色体上的相似区域上聚集；而基因较少的区域只有在拥有相同染色体的情况下才会聚集在一起。
有一种理论认为，基因丰富的区域（即基因转录活跃的区域）会像一个工厂一样，能把基因聚集在一起，使得生产更加高效。虽然在证实这一理论之前还需要进行更多的研究，但可以肯定的是——染色质的局部环境会影响转录活性，它们的结构也会影响功能。
一直以来，想要通过放大来看清染色质的结构是很困难的，要同时考虑其结构和功能更是困难。这项研究所得到的图像不仅为那些被描绘成X形的染色体提供了更复杂、更精确的符号，使得科学家得以更准确地认识染色体的真实样貌，还能帮助他们解开染色体结构如何影响其功能的谜团。
此外，这些图像还让研究人员意识到，即使是在完全相同的细胞中，也不存在两条完全相同的染色体。因此庄教授表示，要想知道人体每个细胞中的每条染色体是什么样子，仅依靠一个团队的力量是不够的，这需要更多的科学家团队也加入这项研究，以获得更加全面的了解。
参考来源：
https://phys.org/news/2020-11-chromosomes.html
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.07.032
封面图来源：庄小威实验室 & National Cancer Institute
