通過計算機模拟，麻省理(lǐ)工(gōng)學(xué)院的化學(xué)家發現了稱為(wèi)核仁的核體(tǐ)（以橙色描繪）如何與細胞核中(zhōng)的染色體(tǐ)相互作(zuò)用(yòng)，以及這些相互作(zuò)用(yòng)如何幫助核仁以穩定的液滴形式存在于細胞核内。由研究人員提供。麻省理(lǐ)工(gōng)學(xué)院新(xīn)聞編輯

一項新(xīn)的研究發現，這些簇形成小(xiǎo)的、穩定的液滴，并可(kě)能(néng)使基因組具(jù)有(yǒu)凝膠狀結構。

一個細胞将其所有(yǒu)的遺傳物(wù)質(zhì)以染色體(tǐ)的形式存儲在其細胞核中(zhōng)，但這并不是藏在其中(zhōng)的全部。細胞核也是稱為(wèi)核仁的小(xiǎo)體(tǐ)的家園——核仁是幫助構建核糖體(tǐ)的蛋白質(zhì)和RNA簇。

使用(yòng)計算機模拟，麻省理(lǐ)工(gōng)學(xué)院的化學(xué)家現在已經發現了這些物(wù)體(tǐ)如何與細胞核中(zhōng)的染色體(tǐ)相互作(zuò)用(yòng)，以及這些相互作(zuò)用(yòng)如何幫助核仁以穩定的液滴形式存在于細胞核内。

他(tā)們的研究結果還表明，染色質(zhì)-核體(tǐ)相互作(zuò)用(yòng)導緻基因組呈現凝膠狀結構，這有(yǒu)助于促進基因組和轉錄機制之間的穩定相互作(zuò)用(yòng)。這些相互作(zuò)用(yòng)有(yǒu)助于控制基因表達。

“這個模型啓發我們認為(wèi)基因組可(kě)能(néng)具(jù)有(yǒu)類似凝膠的特征，可(kě)以幫助系統編碼重要的接觸，并幫助進一步将這些接觸轉化為(wèi)功能(néng)輸出，”輝瑞-勞巴赫化學(xué)職業發展副教授張斌說在麻省理(lǐ)工(gōng)學(xué)院，哈佛大學(xué)和麻省理(lǐ)工(gōng)學(xué)院布羅德(dé)研究所的準成員，以及該研究的高級作(zuò)者。

麻省理(lǐ)工(gōng)學(xué)院研究生 Yifeng Qi 是該論文(wén)的主要作(zuò)者，該論文(wén)于 2021 年 11 月 24 日發表在Nature Communications上。

模拟液滴

張的大部分(fēn)研究都集中(zhōng)在對基因組的三維結構進行建模，并分(fēn)析該結構如何影響基因調控。

在這項新(xīn)研究中(zhōng)，他(tā)想擴展他(tā)的模型以包括核仁。這些小(xiǎo)體(tǐ)在細胞分(fēn)裂開始時分(fēn)解，然後在該過程後期重新(xīn)形成，由一千多(duō)種不同的 RNA 和蛋白質(zhì)分(fēn)子組成。核仁的關鍵功能(néng)之一是産(chǎn)生核糖體(tǐ) RNA，這是核糖體(tǐ)的一種成分(fēn)。

最近的研究表明，核仁以多(duō)個液滴的形式存在。這令人費解，因為(wèi)在正常情況下，多(duō)個液滴最終應該融合成一個大液滴，以最大限度地降低系統的表面張力，張說。

“這就是問題變得有(yǒu)趣的地方，因為(wèi)在細胞核中(zhōng)，以某種方式，這些多(duō)個液滴可(kě)以在整個細胞周期中(zhōng)保持穩定，大約 24 小(xiǎo)時，”他(tā)說。

為(wèi)了探索這種現象，Zhang 和 Qi 使用(yòng)了一種稱為(wèi)分(fēn)子動力學(xué)模拟的技(jì )術，該技(jì )術可(kě)以模拟分(fēn)子系統如何随時間變化。在模拟開始時，構成核仁的蛋白質(zhì)和 RNA 随機分(fēn)布在整個細胞核中(zhōng)，模拟跟蹤它們如何逐漸形成小(xiǎo)液滴。

在他(tā)們的模拟中(zhōng)，研究人員還包括染色質(zhì)，這種物(wù)質(zhì)構成染色體(tǐ)，包括蛋白質(zhì)和DNA。利用(yòng)之前分(fēn)析染色體(tǐ)結構的實驗數據，麻省理(lǐ)工(gōng)學(xué)院的團隊計算了單個染色體(tǐ)的相互作(zuò)用(yòng)能(néng)量，這使得它們能(néng)夠提供 3D 基因組結構的真實表示。

使用(yòng)這個模型，研究人員能(néng)夠觀察核仁液滴是如何形成的。他(tā)們發現，如果他(tā)們自己模拟核仁成分(fēn)，沒有(yǒu)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，一旦将染色質(zhì)引入模型，研究人員發現核仁會形成多(duō)個液滴，就像它們在活細胞中(zhōng)一樣。

研究人員還發現了發生這種情況的原因：核仁液滴被束縛在染色質(zhì)的某些區(qū)域，一旦發生這種情況，染色質(zhì)就會成為(wèi)阻止核仁相互融合的阻力。

“這些力量基本上将系統逮捕成那些小(xiǎo)液滴，并阻礙它們融合在一起，”張說。“我們的研究首次強調了這種染色質(zhì)網絡的重要性，它可(kě)以顯着減慢融合速度并将系統停滞在液滴狀态。”

基因控制

核仁并不是在細胞核中(zhōng)發現的唯一小(xiǎo)結構——其他(tā)的還包括核斑點和核層，這是一個圍繞基因組并可(kě)以與染色質(zhì)結合的包膜。Zhang 的小(xiǎo)組現在正在對這些核結構的貢獻進行建模，他(tā)們的初步發現表明它們有(yǒu)助于賦予基因組更多(duō)的凝膠狀特性，Zhang 說。

“我們在染色質(zhì)和核體(tǐ)之間觀察到的這種耦合并不是核仁特有(yǒu)的。這對其他(tā)核體(tǐ)也很(hěn)普遍，”他(tā)說。“這種核體(tǐ)濃度将從根本上改變基因組組織的動力學(xué)，并很(hěn)可(kě)能(néng)将基因組從液體(tǐ)變成凝膠。”

他(tā)說，這種凝膠狀狀态将使染色質(zhì)的不同區(qū)域更容易相互作(zuò)用(yòng)，而不是這種結構以液态存在。保持基因組遠(yuǎn)距離區(qū)域之間的穩定相互作(zuò)用(yòng)很(hěn)重要，因為(wèi)基因通常受物(wù)理(lǐ)上遠(yuǎn)離它們的染色質(zhì)延伸控制。

參考：“染色質(zhì)網絡延遲核仁聚結”，作(zuò)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(guó)國(guó)立衛生研究院和戈登和貝蒂摩爾基金會資助。