據(jù)外媒報(bào)道，如果你打開一本生物學(xué)教科書，瀏覽描述DNA在細(xì)胞核中如何組織的圖像，你有可能會(huì)開始感到饑餓;DNA鏈看起來(lái)就像一碗拉面：漂浮在液體中的長(zhǎng)串。然而，根據(jù)兩項(xiàng)新的研究(一項(xiàng)是實(shí)驗(yàn)性的，另一項(xiàng)是理論性的--是魏茨曼科學(xué)研究院分子遺傳學(xué)系的塔里拉-沃爾克教授和化學(xué)與生物物理系的薩夫蘭教授小組合作的結(jié)果)，這種形象應(yīng)該被重新考慮一下。澄清它是至關(guān)重要的， 因?yàn)镈NA在細(xì)胞核中的空間排列可以影響到DNA分子中所包含的基因的表達(dá)，從而影響到在細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)。

這個(gè)故事開始于沃爾克在研究機(jī)械力如何影響肌肉中的細(xì)胞核時(shí)，發(fā)現(xiàn)證據(jù)表明肌肉收縮對(duì)基因表達(dá)模式有直接影響。她說(shuō)：“我們無(wú)法進(jìn)一步探索這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)楝F(xiàn)有的方法依賴于化學(xué)保存細(xì)胞的成像，所以它們未能捕捉到實(shí)際工作的肌肉的細(xì)胞核中發(fā)生的情況。”

為了解決這個(gè)問(wèn)題，沃爾克小組的研究助理達(dá)納-洛伯博士領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計(jì)了一個(gè)裝置，使研究活體果蠅幼蟲的肌肉核成為可能。該裝置將微小的、半透明的幼蟲固定在一個(gè)凹槽內(nèi)，使其能夠收縮和放松肌肉，但保持其運(yùn)動(dòng)受限，以便能夠用熒光顯微鏡進(jìn)行掃描。使用該設(shè)備，研究人員獲得了內(nèi)部線性組織的DNA及其蛋白質(zhì)的復(fù)合物(稱為染色質(zhì))的圖像，這些復(fù)合物被肌肉細(xì)胞核的膜所包圍。

洛伯和沃爾小組的博士后Daria Amiad-Pavlov博士期待著發(fā)現(xiàn)“一碗滿滿的拉面”，但他們卻得到了一個(gè)驚喜。這些" 面條 "或長(zhǎng)的染色質(zhì)分子并沒(méi)有填滿細(xì)胞核的整個(gè)體積，而是被組織成一個(gè)相對(duì)較薄的層，附著在細(xì)胞核內(nèi)壁上。與油和水之間相互作用的結(jié)果類似，即所謂的"相分離"，染色質(zhì)從細(xì)胞核內(nèi)部的大部分液體中分離出來(lái)，并在其外圍找到了自己的位置，而大部分液體介質(zhì)仍然在中心。研究人員意識(shí)到，他們正在解決一個(gè)基本的生物學(xué)問(wèn)題，即--染色質(zhì)，以及由此產(chǎn)生的DNA，是如何在生物體的細(xì)胞核中組織的。“但這些發(fā)現(xiàn)是如此出人意料，我們必須確保沒(méi)有錯(cuò)誤悄悄進(jìn)入，而且這種組織是普遍的，”洛伯說(shuō)。

這些令人驚訝的發(fā)現(xiàn)解決了一個(gè)基本的生物學(xué)問(wèn)題--DNA在生物體的細(xì)胞核中是如何組織的。

在與薩夫蘭的小組合作后，他們得出了沒(méi)有錯(cuò)誤的結(jié)論。薩夫蘭和博士后Gaurav Bajpai博士建立了一個(gè)理論模型，其中包括管理細(xì)胞核中染色質(zhì)組織的物理因素，例如染色質(zhì)和其液體環(huán)境之間以及染色質(zhì)和核膜之間的相對(duì)吸引力。該模型預(yù)測(cè)，染色質(zhì)應(yīng)與液相分離，這取決于核內(nèi)液體的相對(duì)數(shù)量。此外，相分離的染色質(zhì)可以沿著核膜內(nèi)部排列--正如沃爾克的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的那樣。

這些小組還解釋了為什么在其他科學(xué)家以前的研究中，染色質(zhì)似乎充滿了細(xì)胞核。“當(dāng)科學(xué)家為了在顯微鏡下研究細(xì)胞而將其放在玻璃片上時(shí)，他們改變了細(xì)胞的體積，并在物理上將其壓扁。這可能擾亂了支配染色質(zhì)排列的一些力量，并減少了細(xì)胞核上部到其底部之間的距離，”薩夫蘭解釋說(shuō)。

為了確保這些發(fā)現(xiàn)不限于果蠅肌肉細(xì)胞，研究人員分析了人類白血球。在這種情況下，染色質(zhì)也同樣被組織成襯在核內(nèi)壁的一層。"Amiad-Pavlov說(shuō)：“這表明我們所發(fā)現(xiàn)的可能是一種普遍現(xiàn)象，而且這種染色質(zhì)組織可能在整個(gè)進(jìn)化過(guò)程中一直保持著。”

這項(xiàng)研究為研究DNA在細(xì)胞中的組織開辟了新的途徑，并延伸到研究作用于細(xì)胞核和染色質(zhì)的物理力量，從而影響基因表達(dá)。一個(gè)潛在的方向是探索健康和疾病中的DNA組織是否存在差異。如果是這樣，這種差異可以在診斷中加以利用，例如，作為檢測(cè)癌細(xì)胞的一個(gè)新參數(shù)。在胚胎發(fā)育研究中，探索DNA組織可能有助于澄清機(jī)械力是否影響細(xì)胞分化為新的命運(yùn)。最后，眾所周知，細(xì)胞所處表面的硬度可以改變其基因的表達(dá)。新研究表明，這可能與表面對(duì)核膜的推拉以及由此對(duì)核內(nèi)DNA組織的影響有關(guān)。對(duì)這種相互作用的更好理解可能有助于控制用于具有所需特性的工程組織的細(xì)胞中的基因表達(dá)。

關(guān)鍵詞： 成像方法 細(xì)胞核 排列方式