新的成像方法揭示了细胞核中令人惊讶的DNA排列

如果你打开一本生物学教科书并浏览描述DNA在细胞核中如何组织的图像,你很可能会开始感到饥饿;DNA链看起来就像一碗拉面:漂浮在液体中的长串。然而,根据两项新研究——一项是实验性的,另一项是理论性的——这是分子遗传学系的TalilaVolk教授和魏茨曼大学化学和生物物理系的SamSafran教授小组合作的结果科学研究所,这个形象应该重新考虑。澄清它是必不可少的,因为DNA在细胞核中的空间排列会影响DNA分子中所含基因的表达,从而影响细胞中发现的蛋白质。

这个故事始于Volk正在研究机械力如何影响肌肉中的细胞核,并发现肌肉收缩对基因表达模式有直接影响的证据。“我们无法进一步探索这一点,因为现有方法依赖于化学保存细胞的成像,因此他们未能捕捉到实际工作肌肉的细胞核中发生的情况,”她说。

为了解决这个问题,Volk小组的研究助理DanaLorber博士领导设计了一种装置,可以研究活果蝇幼虫的肌肉核。该装置将微小的半透明幼虫保持在一个凹槽内,使其能够收缩和放松肌肉,但同时限制其运动,以便荧光显微镜对其进行扫描。使用该设备,研究人员获得了被肌肉核膜包围的DNA及其蛋白质(称为染色质)的内部线性组织复合物的图像。

期待一碗拉面,Lorber和Volk小组的博士后DariaAmiad-Pavlov博士大吃一惊。“面条”或长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,附着在其内壁上。类似于油和水相互作用的结果,即所谓的“相分离”,染色质从细胞核内部的大部分液体中分离出来,并在其外围找到了自己的位置,而大部分流体介质仍然存在在中心。研究人员意识到他们正在着手解决一个基本的生物学问题,即染色质以及DNA在生物体的细胞核中是如何组织的。“但结果如此出乎意料,

3D染色质模拟显示细胞核中的染色质组织依赖于染色质和核层之间的物理相互作用。当这些相互作用减弱时(从左到右)——就像从肌肉营养不良到神经系统疾病的几种疾病一样——染色质从细胞核的外围转移到其中心。图片来源:魏茨曼科学研究所

在与赛峰集团合作后,他们得出的结论是没有搞错。Safran和博士后研究员GauravBajpai博士建立了一个理论模型,其中包括控制细胞核中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该从液相中分离出来,这取决于细胞核中液体(水合作用)的相对量。此外,相分离的染色质可以沿着核膜内部排列——正如沃尔克的团队在他们的实验中发现的那样。

这些小组还解释了为什么在其他科学家之前的研究中,染色质似乎充满了细胞核。“当科学家将细胞铺在载玻片上以便在显微镜下研究它们时,它们会改变它们的体积并使它们在物理上变平。这可能会扰乱控制染色质排列的一些力,并减少细胞核上部与其之间的距离。基地,”赛峰解释说。

为了确保这些发现不仅限于果蝇肌肉细胞,Lorber和Amiad-Pavlov与免疫学系RonenAlon教授小组的FrancescoRoncato博士联手检查了活的人类白细胞。在这种情况下,染色质也类似地组织为内核壁内衬的层。“这表明我们发现的很可能是一种普遍现象,而且这种染色质组织可能在整个进化过程中一直保持不变,”Amiad-Pavlov说。

该研究开辟了研究细胞中DNA组织的新途径,并进一步研究了作用于细胞核和染色质的物理力,这些力可以影响基因表达。一个潜在的方向是探索健康和疾病中的DNA组织是否存在差异。如果是这样,则可以在诊断中利用这种差异,例如,作为检测癌细胞的新参数。在胚胎发育研究中,探索DNA组织可能有助于阐明机械力是否影响细胞分化为新的命运。最后,众所周知,放置细胞的表面的硬度会改变其基因的表达。新的研究表明这可能与表面有关”s对核膜的推拉以及由此对核内DNA组织的影响。更好地理解这种相互作用可能有助于控制基因表达用于具有所需特性的工程组织的细胞。

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