Nature：真核生物细胞核中染色质分离新机制
在细胞核中基因组的活性部分与它的非活性部分在空间上分隔开来对于基因表达控制至关重要。在一项新的研究中，来自德国慕尼黑大学、美国麻省理工学院和马萨诸塞大学医学院的研究人员揭示了这种分离的主要机制，并颠覆了我们对细胞核的认识。相关研究结果近期发表在Nature期刊上，论文标题为“Heterochromatin drives compartmentalization of inverted and conventional nuclei”。
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真核染色体由染色质构成，染色质是DNA和相关蛋白的复合物。根据转录活性和压缩程度，可以区分两种类型的染色质，而且这两种类型的染色质在细胞核内在空间上分开。高度浓缩的染色质部分由含有很少基因的且处于转录失活状态的染色质区域组成。它被称为异染色质（heterochromatin），位于细胞核的外围，靠近核膜。另一方面，常染色质（euchromatin）富含基因并且对应于基因组的活性部分。它占据细胞核的内部区域，不那么紧密压缩，因此基因表达所需的蛋白机器更容易接近。这种基因组组装的一般模式几乎存在于所有类型的真核细胞中，但是建立这种特征性分布的机制仍然知之甚少。
在这项新的研究中，慕尼黑大学生物中心的Irina Solovei团队与马萨诸塞大学医学院的Job Dekker和麻省理工学院医学工程与科学研究所的Leonid Mirny团队开展合作，揭示染色质分离的驱动力是没有活性的异染色质，而且在“默认”染色质分布中，常染色质和异染色质是相反的。
科学家们已提出了许多机制来解释染色质如何在细胞核内分离，但是它们中没有一个是确定性的，这主要是因为很难分析这两种染色质类型在异染色质结合到核膜上的常规细胞核中的相互作用。Solovei说，“因此，对于我们的这项研究而言，我们选择了所谓的倒置细胞核（inverted cell nuclei）”。她和她的同事们大约10年前在夜间活动的哺乳动物的视网膜中发现了这些细胞核，在那里它们局限于称为视杆细胞的感光细胞类型。在视杆细胞中，紧密压缩的异染色质包装在细胞核内部，而活性的常染色质直接位于核膜下---这是一般规则的一个独特例外。结果表明，在视杆细胞中，细胞核的异染色质核心起着微透镜的作用，会聚光，从而改善夜行动物视网膜的光学特性。来自Solovei团队的后续研究揭示这些非典型的细胞核缺乏两种在正常情形下将异染色质连接到核膜内表面的蛋白复合物，因而发现这种倒置机制。
通过利用将现代显微镜和分子生物学技术相结合一起获得的数据，这些研究人员如今获得了单个染色体和整个细胞核的聚合物模型。通过模拟这些聚合物在不同条件下的行为，他们能够研究这两种染色质组分和核纤层内部及其之间的相互作用。这些研究表明异染色区域之间的相互作用足以导致染色质分离，而常染色质中的相互作用对于这一过程并不是必要的。Mirny说道，“我们的研究结果表明这种倒置的细胞核在概念上代表了默认的细胞核结构。” Solovei说，“不过异染色质与核纤层的相互作用对于形成常规的结构至关重要。在这方面，有趣的问题是：为何大多数真核生物都具有常规的细胞核？异染色质在细胞核外围定位的功能相关性可能是什么？”
参考资料：
Martin Falk et al. Heterochromatin drives compartmentalization of inverted and conventional nuclei. Nature, 2019, doi:10.1038/s41586-019-1275-3.
