細胞核中的分子簇如何與染色體相互作用
發(fā)現(xiàn)：熒光顯微鏡系統(tǒng)介紹
通過計算機模擬，麻省理工學院的化學家發(fā)現(xiàn)了稱為核仁的核體（以橙色描繪）如何與細胞核中的染色體相互作用，以及這些相互作用如何幫助核仁以穩(wěn)定的液滴形式存在于細胞核內(nèi)。圖片由研究人員提供。麻省理工學院新聞編輯
一項新的研究發(fā)現(xiàn)，這些簇形成小的、穩(wěn)定的液滴，并可能使基因組具有凝膠狀結(jié)構(gòu)。
一個細胞將其所有的遺傳物質(zhì)以染色體的形式存儲在其細胞核中，但這并不是藏在其中的全部。細胞核也是稱為核仁的小體的家園——核仁是幫助構(gòu)建核糖體的蛋白質(zhì)和RNA簇。
使用計算機模擬，麻省理工學院的化學家現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這些物體如何與細胞核中的染色體相互作用，以及這些相互作用如何幫助核仁以穩(wěn)定的液滴形式存在于細胞核內(nèi)。
他們的研究結(jié)果還表明，染色質(zhì)-核體相互作用導致基因組呈現(xiàn)凝膠狀結(jié)構(gòu)，這有助于促進基因組和轉(zhuǎn)錄機制之間的穩(wěn)定相互作用。這些相互作用有助于控制基因表達。
“這個模型啟發(fā)我們認為基因組可能具有類似凝膠的特征，可以幫助系統(tǒng)編碼重要的接觸，并幫助進一步將這些接觸轉(zhuǎn)化為功能輸出，”輝瑞-勞巴赫化學職業(yè)發(fā)展副教授張斌說在麻省理工學院，哈佛大學和麻省理工學院布羅德研究所的準成員，以及該研究的高級作者。
麻省理工學院研究生 Yifeng Qi 是該論文的主要作者，該論文于 2021 年 11 月 24 日發(fā)表在Nature Communications上。
模擬液滴
張的大部分研究都集中在對基因組的三維結(jié)構(gòu)進行建模，并分析該結(jié)構(gòu)如何影響基因調(diào)控。
在這項新研究中，他想擴展他的模型以包括核仁。這些小體在細胞分裂開始時分解，然后在該過程后期重新形成，由一千多種不同的 RNA 和蛋白質(zhì)分子組成。核仁的關(guān)鍵功能之一是產(chǎn)生核糖體 RNA，這是核糖體的一種成分。
最近的研究表明，核仁以多個液滴的形式存在。這令人費解，因為在正常情況下，多個液滴最終應(yīng)該融合成一個大液滴，以最大限度地降低系統(tǒng)的表面張力，張說。
“這就是問題變得有趣的地方，因為在細胞核中，以某種方式，這些多個液滴可以在整個細胞周期中保持穩(wěn)定，大約 24 小時，”他說。
為了探索這種現(xiàn)象，Zhang 和 Qi 使用了一種稱為分子動力學模擬的技術(shù)，該技術(shù)可以模擬分子系統(tǒng)如何隨時間變化。在模擬開始時，構(gòu)成核仁的蛋白質(zhì)和 RNA 隨機分布在整個細胞核中，模擬跟蹤它們?nèi)绾沃饾u形成小液滴。
在他們的模擬中，研究人員還包括染色質(zhì)，這種物質(zhì)構(gòu)成染色體，包括蛋白質(zhì)和DNA。利用之前分析染色體結(jié)構(gòu)的實驗數(shù)據(jù)，麻省理工學院的團隊計算了單個染色體的相互作用能量，這使得它們能夠提供 3D 基因組結(jié)構(gòu)的真實表示。
使用這個模型，研究人員能夠觀察核仁液滴是如何形成的。他們發(fā)現(xiàn)，如果他們自己模擬核仁成分，沒有染色質(zhì)，它們最終會像預期的那樣融合成一個大液滴。然而，一旦將染色質(zhì)引入模型，研究人員發(fā)現(xiàn)核仁會形成多個液滴，就像它們在活細胞中一樣。
研究人員還發(fā)現(xiàn)了發(fā)生這種情況的原因：核仁液滴被束縛在染色質(zhì)的某些區(qū)域，一旦發(fā)生這種情況，染色質(zhì)就會成為阻止核仁相互融合的阻力。
“這些力量基本上將系統(tǒng)逮捕成那些小液滴，并阻礙它們?nèi)诤显谝黄?，”張說?！拔覀兊难芯渴状螐娬{(diào)了這種染色質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的重要性，它可以顯著減慢融合速度并將系統(tǒng)停滯在液滴狀態(tài)?！?/p>
基因控制
核仁并不是在細胞核中發(fā)現(xiàn)的唯一小結(jié)構(gòu)——其他的還包括核斑點和??核層，這是一個圍繞基因組并可以與染色質(zhì)結(jié)合的包膜。Zhang 的小組現(xiàn)在正在對這些核結(jié)構(gòu)的貢獻進行建模，他們的初步發(fā)現(xiàn)表明它們有助于賦予基因組更多的凝膠狀特性，Zhang 說。
“我們在染色質(zhì)和核體之間觀察到的這種耦合并不是核仁特有的。這對其他核體也很普遍，”他說?！斑@種核體濃度將從根本上改變基因組組織的動力學，并很可能將基因組從液體變成凝膠?！?/p>
他說，這種凝膠狀狀態(tài)將使染色質(zhì)的不同區(qū)域更容易相互作用，而不是這種結(jié)構(gòu)以液態(tài)存在。保持基因組遠距離區(qū)域之間的穩(wěn)定相互作用很重要，因為基因通常受物理上遠離它們的染色質(zhì)延伸控制。
參考：
“染色質(zhì)網(wǎng)絡(luò)延遲核仁聚結(jié)”，作者 Yifeng Qi 和 Bin Zhang，2021 年 11 月 24 日，Nature Communications。
DOI: 10.1038/s41467-021-27123-9
該研究由美國國立衛(wèi)生研究院和戈登和貝蒂摩爾基金會資助。