【技术速递】细胞核中的分子簇如何与染色体相互作用

通过计算机模拟，麻省理工学院的化学家发现了称为核仁的核体（以橙色描绘）如何与细胞核中的染色体相互作用，以及这些相互作用如何帮助核仁以稳定的液滴形式存在于细胞核内。由研究人员提供。麻省理工学院新闻编辑

一项新的研究发现，这些簇形成小的、稳定的液滴，并可能使基因组具有凝胶状结构。

一个细胞将其所有的遗传物质以染色体的形式存储在其细胞核中，但这并不是藏在其中的全部。细胞核也是称为核仁的小体的家园——核仁是帮助构建核糖体的蛋白质和RNA簇。

使用计算机模拟，麻省理工学院的化学家现在已经发现了这些物体如何与细胞核中的染色体相互作用，以及这些相互作用如何帮助核仁以稳定的液滴形式存在于细胞核内。

他们的研究结果还表明，染色质-核体相互作用导致基因组呈现凝胶状结构，这有助于促进基因组和转(zhuǎn)录(lù)机(jī)制(zhì)之间的稳定相互作用。这些相互作用有助于控制基因表达。

“这个模型启发我们认为基因组可能具有类似凝胶的特征，可以帮助系统编码重要的接触，并帮助进一步将这些接触转化为功能输出，”辉瑞-劳巴赫化学职业发展副教授张斌说在麻省理工学院，哈佛大学和麻省理工学院布罗德研究所的准成员，以及该研究的高级作者。

麻省理工学院研究生 Yifeng Qi 是该论文的主要作者，该论文于 2024 年 11 月 24 日发表在Nature Communications上。

模拟液滴

张的大部分研究都集中在对基因组的三维结构进行建模，并分析该结构如何影响基因调控。

在这项新研究中，他想扩展他的模型以包括核仁。这些小体在细胞分裂开始时分解，然后在该过程后期重新形成，由一千多种不同的 RNA 和蛋白质分子组成。核仁的关键功能之一是产生核糖体 RNA，这是核糖体的一种成分。

最近的研究表明，核仁以多个液滴的形式存在。这令人费解，因为在正常情况下，多个液滴最终应该融合成一个大液滴，以最大限度地降低系统的表面张力，张说。

“这就是问题(tí)变(biàn)得(de)有(yǒu)趣(qù)的(de)地(de)方(fāng)，因(yīn)为(wèi)在(zài)细(xì)胞(bāo)核(hé)中(zhōng)，以(yǐ)某(mǒu)种(zhǒng)方(fāng)式(shì)，这(zhè)些(xiē)多(duō)个(gè)液(yè)滴(dī)可(kě)以(yǐ)在(zài)整(zhěng)个(gè)细(xì)胞(bāo)周(zhōu)期(qī)中(zhōng)保(bǎo)持(chí)稳(wěn)定(dìng)，大(dà)约(yuē) 24 小(xiǎo)时(shí)，”他(tā)说(shuō)。

为(wèi)了(le)探(tàn)索(suǒ)这(zhè)种(zhǒng)现(xiàn)象(xiàng)，Zhang 和(hé) Qi 使(shǐ)用(yòng)了(le)一(yī)种(zhǒng)称(chēng)为(wèi)分(fēn)子(zi)动(dòng)力(lì)学(xué)模(mó)拟(nǐ)的(de)技(jì)术(shù)，该(gāi)技(jì)术(shù)可(kě)以(yǐ)模(mó)拟(nǐ)分(fēn)子(zi)系(xì)统(tǒng)如(rú)何(hé)随(suí)时(shí)间(jiān)变(biàn)化(huà)。在(zài)模(mó)拟(nǐ)开(kāi)始(shǐ)时(shí)，构(gòu)成(chéng)核(hé)仁(rén)的(de)蛋(dàn)白(bái)质(zhì)和(hé) RNA 随(suí)机(jī)分(fēn)布(bù)在(zài)整(zhěng)个(gè)细(xì)胞(bāo)核(hé)中(zhōng)，模(mó)拟(nǐ)跟(gēn)踪(zōng)它(tā)们(men)如(rú)何(hé)逐(zhú)渐(jiàn)形(xíng)成(chéng)小(xiǎo)液(yè)滴(dī)。

在(zài)他(tā)们(men)的(de)模(mó)拟(nǐ)中(zhōng)，研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)还(hái)包(bāo)括(kuò)染(rǎn)色(sè)质(zhì)，这(zhè)种(zhǒng)物(wù)质(zhì)构(gòu)成(chéng)染(rǎn)色(sè)体(tǐ)，包(bāo)括(kuò)蛋(dàn)白(bái)质(zhì)和(hé)DNA。利(lì)用(yòng)之(zhī)前(qián)分(fēn)析(xī)染(rǎn)色(sè)体(tǐ)结(jié)构的实验数据，麻省理工学院的团队计算了单个染色体的相互作用能量，这使得它们能够提供 3D 基因组结构的真实表示。

使用这个(gè)模(mó)型(xíng)，研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)能(néng)够(gòu)观(guān)察(chá)核(hé)仁(rén)液(yè)滴(dī)是(shì)如(rú)何(hé)形(xíng)成(chéng)的(de)。他(tā)们(men)发(fā)现(xiàn)，如(rú)果(guǒ)他们自己模拟核仁成分，没有染色质，它们最终会像预期的那样融合成一个大液滴。然而，一旦将染色质引入模型，研究人员发现核仁会形成多个液滴，就像它们在活细胞中一样。

研究(jiū)人(rén)员(yuán)还(hái)发现了发生这种情况的原因：核仁液滴被束缚在染色质的某些区域，一旦发生这种情况，染色质就会成为阻止核仁相互融合的阻力。

“这些力量基本上将系统逮捕成那些小液滴，并阻碍它们融合在一起，”张说。“我们的研究首次强调了这种染色质网络的重要性，它可以显着减慢融合速度并将系统停滞在液滴状态。”

基因控制

核仁并不是在细胞核中发现的唯一小结构——其他的还包括核斑点和核层，这是一个围绕基因组并可以与染色质结合的包膜。Zhang 的小组现在正在对这些核结构的贡献进行建模，他们的初步发现表明它们有助于赋予基因组更多的凝胶状特性，Zhang 说。

“我们在染色质和核体之间观察到的这种耦合并不是核仁特有的。这对其他核体也很普遍，”他说。“这种核体浓度将从根本上改变基因组组织的动力学，并很可能将基因组从液体变成凝胶。”

他说，这种凝胶状状态将使染色质的不同区域更容易相互作用，而不是这种结构以液态存在。保持基因组远距离区域之间的稳定相互作用很重要，因为基因通常受物理上远离它们的染色质延伸控制。

参考：“染色质网络延迟核仁聚结”，作者 Yifeng Qi 和 Bin Zhang，2024 年 11 月 24 日，Nature Communications。
DOI: 10.1038/s41467-021-27123-9

该研究由美国国立卫生研究院和戈登和贝蒂摩尔基金会资助。