新成像方法揭示细胞核中DNA的惊人排列

DNA细胞核

左图:细胞核的三维图解,代表了DNA组织的经典理论。右图:将拉面碗翻转过来——果蝇幼虫肌细胞细胞核的显微图像。DNA的长链(红色)附着在核层(绿色)——核膜的内层。资料来源:魏茨曼科学研究所

在原子核的外围

如果您打开生物学教科书并通过yabo124描绘如何的图像脱氧核糖核酸在细胞的核中组织,你会开始感到饥饿的机会;DNA链似乎是一碗拉面:漂浮在液体中的长弦。但是,根据两项新研究 - 一个实验[1]和其他理论[2]- 这是Talila Volk群体的合作的结果,分子遗传厅和武士科学研究所的化学和生物物理部Sam Safran教授,这一形象应被重新考虑。澄清它是必要的,因为DNA在核中的空间排列可以影响DNA分子内含有的基因的表达,因此在细胞中发现的蛋白质。

这篇故事开始了当沃尔克研究机械力量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产生了立即影响的证据。“我们不能进一步探索这一点,因为现有方法依赖于化学保存的细胞的成像,因此他们未能捕获实际工作肌肉的细胞核中发生的事情,”她说。

DNA细胞核研究人员

(左右)Talila Volk教授,Sam Safran教授,Dana Lorber博士,Daria Amiad-Pavlov博士和Adriana reuveny博士。远离中心。资料来源:魏茨曼科学研究所

为了解决这个问题,Volk的集团研究助理Dana Lorber博士领导了一种设备的设计,使得可以在活果蝇幼虫中研究肌肉细胞核。该装置在凹槽内握住微小的半透明幼虫,允许它收缩并放松其肌肉,但保持其运动约束,使其可以通过荧光显微镜扫描。使用该装置,研究人员获得了DNA和其蛋白质的内部,线性有组织的复合物的图像及其蛋白质(称为染色质),被肌肉细胞核的膜包围。

期待一个充满拉面的碗,Lorber和Daria Amiad-Pavlov,这是Volk的博士队的博士队,令人惊讶。而不是填充细胞核的整个体积,“面条”或长染色质分子,而是作为相对薄的层组织成相对薄的层。类似于油和水之间的相互作用的结果,所谓的“相分离”,染色质分离在细胞核内部的大部分液体中,并在其郊区发现其位置,而大多数流体介质仍然存在在中心。研究人员意识到他们正在进行解决基本生物问题的方式,即染色质,以及在生物体中的细胞核中组织的染色质。“但发现结果如此出乎意料,我们不得不确保没有错误悄悄进入,这个组织是普遍的,”Lorber说。

这一令人惊讶的发现解决了一个基本的生物学问题——在活体的细胞核中,DNA是如何组织的。

在与赛峰的团队合作后,他们得出结论,没有任何错误。Safran和博士后Gaurav Bajpai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,如染色质与其液体环境之间、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,这取决于细胞核中液体(水合作用)的相对数量。此外,相分离的染色质可以沿着核膜内部自行排列——正如Volk的团队在他们的实验中发现的那样。

Gaurav亚太区

Gaurav亚太区博士。资料来源:魏茨曼科学研究所

研究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。“当科学家们把细胞放在玻片上,以便在显微镜下研究它们时,它们会改变它们的体积,并物理地使它们变平。这可能会扰乱控制染色质排列的一些力量,并减少细胞核上部与底部之间的距离,”Safran解释道。

为了确保这些发现不仅限于果蝇肌细胞,Lorber和Amiad-Pavlov与Francesco Roncato博士从Ronen Alon的免疫学部门群组织博士联合联盟,并检查了Live人类白血细胞。在这种情况下,染色质类似地组织为内衬内核壁的层。“这表明我们发现的可能是一般现象,而这种染色质组织在整个演变中可能会被保守,”Amiad-Pavlov说。

3 d染色质模拟

三维染色质模拟显示,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(从左到右)——就像从肌肉营养不良到神经系统紊乱等多种疾病的情况一样——染色质从核的外围转移到核的中心。资料来源:魏茨曼科学研究所

该研究开辟了在细胞中的DNA组织中的新途径,并通过延伸进入作用于可以影响基因表达的细胞核和染色质的物理力。一个潜在的方向正在探索是否存在DNA组织在健康和疾病中的差异。如果是,则可以在诊断中利用这种差异,例如,作为用于检测癌细胞的新参数。在胚胎发育的研究中,探索DNA组织可能有助于澄清机械力是否会影响细胞的分化为新的命运。最后,已知放置细胞的表面的刚度可以改变其基因的表达。新的研究表明,这可能与表面的推动和拉动核膜拔出,并产生对细胞核内DNA组织的影响。更好地理解这种相互作用可以帮助控制用于工程组织的细胞中的基因表达,具有所需的性质。

据认为,DNA及其染色质包装填补了60%的核体积。在他们的学习中,Weizmann研究所科学家发现它是31%。

参考:

“染色质分布的实时成像揭示了核建筑和染色质分区的新颖原则”由Daria Amiad-Pavlov,Dana Lorber,Gaurav Bajpai,Adriana Reuveny,Francesco Roncato,Ronen Alon,Samuel Safran和Talila Volk,221,科学推进
DOI:10.1126 / sciadv.abf6251

“细胞核中染色质的中尺度相分离”,Gaurav Bajpai, Daria Amiad Pavlov, Dana Lorber, Talila Volk和Samuel Safran, 2021年5月4日,el
DOI: 10.7554 / eLife.63976

分子遗传学系(Molecular Genetics Department)塔利拉·沃尔克(Talila Volk)教授团队的阿德里亚娜·鲁文尼(Adriana Reuveny)博士也参与了这项实验研究。

Talila Volk教授是Ernst B.连锁教授主席的现任。

Volk教授的研究得到了Aharon Katzir-Katchalsky中心的支持;Benoziyo科学发展基金;以及亨利·查诺克·克伦特生物医学成像和基因组学研究所。

Samuel Safran教授是Fern&Manfred Steinfeld教授椅的现任。

Safran教授的研究得到了Henry Chanoch Krenter生物医学成像和基因组学研究所的支持;哈罗德·帕尔曼家族

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