颠覆传统认知!“一碗面”的形象要被取代了...

2021
09/16

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临床科研与meta分析
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很多研究表明,间期核内染色质的组成是同质的。在“传统的”构象中,染色质和核质均一的分布在细胞核内。然而,新研究打破了这一传统认知。

染色质 是由DNA、组蛋白和少量RNA等组成的复杂线性结构。在真核细胞中,它位在细胞核内,溶于细胞液、盐和其他小分子中。
如果你打开一本生物学教科书,找到描述这一章节的图片时,可能会让你食欲大开。因为它们看起来就像是一碗面:一根根长长的“面条”浮在“汤”中。
近日,来自以色列魏茨曼科学研究所分子遗传学系的Talila Volk教授和生物物理系的Sam Safran教授合作完成的两项研究告诉我们,这一碗面的构象应该重新考虑了。
很多研究表明,间期核内染色质的组成是同质的。在“传统的”构象中,染色质和核质均一的分布在细胞核内。然而,新研究打破了这一传统认知。 也就是说,染色质在细胞核内并非是均匀排列的。
研究人员表示,阐明这一点至关重要,因为DNA在细胞核中的空间排列可以影响DNA分子中包含的基因表达,从而影响到在细胞中发现的蛋白质。这两项研究近日已发表在 《Science Advances》 《eLife》 上。

故事始于Volk在研究机械力如何影响肌肉中的细胞核时,发现肌肉收缩对基因表达模式有直接影响。她说:”我们无法进一步探索这个问题,因为现有的方法依赖于化学保存细胞的成像,所以无法捕捉肌肉用力的过程中细胞核内发生的情况。”
为了解决这个问题,研究人员设计了一种装置,使研究活体果蝇幼虫的肌肉细胞核成为可能。该装置将半透明的幼虫固定在一个凹槽内允许其收缩和放松肌肉,但保持运动受限,同时用荧光显微镜对它们进行扫描。利用该装置,研究人员获得了果蝇内部线性组织的DNA及其蛋白质复合物(染色质)的图像,染色质被肌肉细胞核膜包围。
研究人员原本期待会看到满满一碗面的构象,但结果却令他们出乎意料:这些“面条”(长的染色质分子)并没有填满整个细胞核,而是被组织成一个相对较薄的层,附着在细胞核内壁上。与油和水相互作用的结果类似,即所谓的“ 相分离 ”。染色质从细胞核内大部分液体中分离出来,并在其外围找到了自己的位置。
满满“一碗面”变成了不到半碗的“帖碗边面”
研究人员意识到,他们正在着手解决一个基础生物学问题,即DNA和组蛋白等是如何在活生物体的细胞核中组织起来的。
研究人员表示,结果出乎意料,但他们必须确保这种组织方式没有任何差错,而且是具有普遍性的。 在与其他团队合作后,他们得出了肯定的结论。
随后,研究人员建立了一个理论模型,其中包括控制细胞核内染色质组织的物理因素,例如染色质与其液体环境之间以及染色质与核膜之间的相对吸引力。该模型预测,染色质应与液相分离,这取决于细胞核内液体的相对数量(水合作用)。此外,相分离的染色质可以沿着核膜内部自行排列,就像Volk团队在他们的实验中发现的那样。
研究人员还解释了在其他科学家之前的研究中,为什么会出现满满一碗面的形象,即染色质似乎充满了细胞核。
Safran解释说:“当科学家将细胞放在玻片上以便在显微镜下观察时,他们会改变细胞的体积并使其变平。这可能会扰乱控制染色质排列的一些力,并减少细胞核上部到其底部之间的距离。”
为了确保这些发现不局限于果蝇肌肉细胞,该团队又研究了活的人体白细胞。在这种情况下,染色质也同样被组织成一层并排列在核内壁上。
研究人员称,他们的发现可能是一种普遍现象,而且这种染色质组织方式可能在整个进化过程中被保留了下来。
这项研究为研究DNA在细胞中的组织模式开辟了新的途径,并进一步研究了作用于细胞核和染色质并影响基因表达的机械力。研究人员表示,一个潜在的研究方向是探索健康和疾病中的DNA组织是否存在差异。如果存在,这种差异可以被用于诊断,例如,可以作为检测癌细胞的新参数。在胚胎发育研究中,探索DNA组织模式还将有助于澄清机械力是否影响细胞分化。

论文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abf6251
https://elifesciences.org/articles/63976



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关键词:
细胞核,染色质,机械力,DNA,核膜

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