新的成像方法揭示细胞核中DNA的惊人排列方式

据外媒报道，如果你打开一本生物学教科书，浏览描述DNA在细胞核中如何组织的图像，你有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，根据两项新的研究（一项是实验性的，另一项是理论性的--是魏茨曼科学研究院分子遗传学系的塔里拉-沃尔克教授和化学与生物物理系的萨夫兰教授小组合作的结果），这种形象应该被重新考虑一下。澄清它是至关重要的，因为DNA在细胞核中的空间排列可以影响到DNA分子中所包含的基因的表达，从而影响到在细胞中发现的蛋白质。

这个故事开始于沃尔克在研究机械力如何影响肌肉中的细胞核时，发现证据表明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，所以它们未能捕捉到实际工作的肌肉的细胞核中发生的情况。”

为了解决这个问题，沃尔克小组的研究助理达纳-洛伯博士领导设计了一个装置，使研究活体果蝇幼虫的肌肉核成为可能。该装置将微小的、半透明的幼虫固定在一个凹槽内，使其能够收缩和放松肌肉，但保持其运动受限，以便能够用荧光显微镜进行扫描。使用该设备，研究人员获得了内部线性组织的DNA及其蛋白质的复合物（称为染色质）的图像，这些复合物被肌肉细胞核的膜所包围。

洛伯和沃尔小组的博士后Daria Amiad-Pavlov博士期待着发现“一碗满满的拉面”，但他们却得到了一个惊喜。这些'面条'或长的染色质分子并没有填满细胞核的整个体积，而是被组织成一个相对较薄的层，附着在细胞核内壁上。与油和水之间相互作用的结果类似，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，而大部分液体介质仍然在中心。研究人员意识到，他们正在解决一个基本的生物学问题，即--染色质，以及由此产生的DNA，是如何在生物体的细胞核中组织的。“但这些发现是如此出人意料，我们必须确保没有错误悄悄进入，而且这种组织是普遍的，”洛伯说。

这些令人惊讶的发现解决了一个基本的生物学问题--DNA在生物体的细胞核中是如何组织的。

在与萨夫兰的小组合作后，他们得出了没有错误的结论。萨夫兰和博士后Gaurav Bajpai博士建立了一个理论模型，其中包括管理细胞核中染色质组织的物理因素，例如染色质和其液体环境之间以及染色质和核膜之间的相对吸引力。该模型预测，染色质应与液相分离，这取决于核内液体的相对数量。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以前的研究中，染色质似乎充满了细胞核。“当科学家为了在显微镜下研究细胞而将其放在玻璃片上时，他们改变了细胞的体积，并在物理上将其压扁。这可能扰乱了支配染色质排列的一些力量，并减少了细胞核上部到其底部之间的距离，”萨夫兰解释说。

为了确保这些发现不限于果蝇肌肉细胞，研究人员分析了人类白血球。在这种情况下，染色质也同样被组织成衬在核内壁的一层。'Amiad-Pavlov说：“这表明我们所发现的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着。”

这项研究为研究DNA在细胞中的组织开辟了新的途径，并延伸到研究作用于细胞核和染色质的物理力量，从而影响基因表达。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，这种差异可以在诊断中加以利用，例如，作为检测癌细胞的一个新参数。在胚胎发育研究中，探索DNA组织可能有助于澄清机械力是否影响细胞分化为新的命运。最后，众所周知，细胞所处表面的硬度可以改变其基因的表达。新研究表明，这可能与表面对核膜的推拉以及由此对核内DNA组织的影响有关。对这种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组织的细胞中的基因表达。