Nature:揭示真核生物細胞核中染色質分離新機制



2019年6月17日訊/生物谷BIOON/---在細胞核中基因組的活性部分與它的非活性部分在空間上分隔開來對于基因表達控制至關重要。在一項新的研究中,來自德國慕尼黑大學、美國麻省理工學院和馬薩諸塞大學醫學院的研究人員揭示了這種分離的主要機制,并顛覆了我們對細胞核的認識。相關研究結果近期發表在Nature期刊上,論文標題為“Heterochromatin drives compartmentalization of inverted and conventional nuclei”。

Nature:揭示真核生物細胞核中染色質分離新機制

圖片來自CC0 Public Domain。


真核染色體由染色質構成,染色質是DNA和相關蛋白的復合物。根據轉錄活性和壓縮程度,可以區分兩種類型的染色質,而且這兩種類型的染色質在細胞核內在空間上分開。高度濃縮的染色質部分由含有很少基因的且處于轉錄失活狀態的染色質區域組成。它被稱為異染色質(heterochromatin),位于細胞核的外圍,靠近核膜。另一方面,常染色質(euchromatin)富含基因并且對應于基因組的活性部分。它占據細胞核的內部區域,不那么緊密壓縮,因此基因表達所需的蛋白機器更容易接近。這種基因組組裝的一般模式幾乎存在于所有類型的真核細胞中,但是建立這種特征性分布的機制仍然知之甚少。

在這項新的研究中,慕尼黑大學生物中心的Irina Solovei團隊與馬薩諸塞大學醫學院的Job Dekker和麻省理工學院醫學工程與科學研究所的Leonid Mirny團隊開展合作,揭示染色質分離的驅動力是沒有活性的異染色質,而且在“默認”染色質分布中,常染色質和異染色質是相反的。

科學家們已提出了許多機制來解釋染色質如何在細胞核內分離,但是它們中沒有一個是確定性的,這主要是因為很難分析這兩種染色質類型在異染色質結合到核膜上的常規細胞核中的相互作用。Solovei說,“因此,對于我們的這項研究而言,我們選擇了所謂的倒置細胞核(inverted cell nuclei)”。她和她的同事們大約10年前在夜間活動的哺乳動物的視網膜中發現了這些細胞核,在那里它們局限于稱為視桿細胞的感光細胞類型。在視桿細胞中,緊密壓縮的異染色質包裝在細胞核內部,而活性的常染色質直接位于核膜下---這是一般規則的一個獨特例外。結果表明,在視桿細胞中,細胞核的異染色質核心起著微透鏡的作用,會聚光,從而改善夜行動物視網膜的光學特性。來自Solovei團隊的后續研究揭示這些非典型的細胞核缺乏兩種在正常情形下將異染色質連接到核膜內表面的蛋白復合物,因而發現這種倒置機制。

通過利用將現代顯微鏡和分子生物學技術相結合一起獲得的數據,這些研究人員如今獲得了單個染色體和整個細胞核的聚合物模型。通過模擬這些聚合物在不同條件下的行為,他們能夠研究這兩種染色質組分和核纖層內部及其之間的相互作用。這些研究表明異染色區域之間的相互作用足以導致染色質分離,而常染色質中的相互作用對于這一過程并不是必要的。Mirny說道,“我們的研究結果表明這種倒置的細胞核在概念上代表了默認的細胞核結構?!?Solovei說,“不過異染色質與核纖層的相互作用對于形成常規的結構至關重要。在這方面,有趣的問題是:為何大多數真核生物都具有常規的細胞核?異染色質在細胞核外圍定位的功能相關性可能是什么?”(生物谷 Bioon.com)

參考資料:

Martin Falk et al. Heterochromatin drives compartmentalization of inverted and conventional nuclei. Nature, 2019, doi:10.1038/s41586-019-1275-3.




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