Cell论文详解！挑战常规！染色质既不是固体也不是液体，而是更像一种凝胶
来源：本站原创 2020-12-27 19:57
2020年12月27日讯/生物谷BIOON/---基因组生物学中一个自DNA发现以来一直困扰着科学家们的基本问题：在我们的细胞核内, DNA和蛋白的复杂包裹物（即染色质）是固体还是液体?在一项新的研究中，来自加拿大阿尔伯塔大学和美国科罗拉多州立大学的研究人员找到了这个问题的答案。他们发现染色质既不是固体也不是液体，而是更像一种凝胶。相关研究结果近期发表在Ce
2020年12月27日讯/生物谷BIOON/---基因组生物学中一个自DNA发现以来一直困扰着科学家们的基本问题：在我们的细胞核内, DNA和蛋白的复杂包裹物（即染色质）是固体还是液体?在一项新的研究中，来自加拿大阿尔伯塔大学和美国科罗拉多州立大学的研究人员找到了这个问题的答案。他们发现染色质既不是固体也不是液体，而是更像一种凝胶。相关研究结果近期发表在Cell期刊上，论文标题为“Condensed Chromatin Behaves like a Solid on the Mesoscale In Vitro and in Living Cells”。论文通讯作者为阿尔伯塔大学肿瘤学系教授Michael Hendzel和科罗拉多州立大学的Jeffrey Hansen。
Hendzel说，以前，生物化学等领域是在染色质和细胞核的其他组分以液体状态运行的假设下进行的。这种对染色质物理特性的新理解挑战了这种观点法，并可能导致对基因组如何编码和解码的更准确理解。
Hendzel说，“我们都知道水和冰的区别，我们都明白，如果你想把两个东西连接在一起，你不能用液体来做。你需要一根绳子，即有机械强度的东西。这就是我们在这项研究中谈论的东西。如今，我们对基因调控的所有理解主要是基于自由移动的蛋白的假设：这些蛋白可以找到DNA，并且对它的可访问性仅通过阻断这种运动来调节。因此，这项研究有可能会带来非常不同的理解基因表达的方式。”
论文共同作者、阿尔伯塔大学肿瘤学系副教授Alan Underhill说，“另一种看法是，骨骼、肌肉和结缔组织都具有非常不同的物理特性，如果这些物理特性以某种方式破坏，它几乎总是与疾病相关。就染色质而言，这是把这个原则缩小到细胞核的水平，这是因为它们都是相连的。”
他补充道，“我们在这项研究中看到的是将细胞内含物的生物化学和基本物理衔接起来，这让我们能够了解组织原理--不仅仅是细胞，而是整个身体。”
我们所有的染色体都是由染色质组成的。染色质一半是组蛋白，一半是DNA，它被组装成长长的线，上面有珠状结构（核小体）。在细胞核内，染色质纤维与自身相互作用而浓缩成染色体。染色质纤维还支持基因表达和染色体DNA的复制。虽然人们对构成细胞核的结构有一定的了解，但这些结构是如何组装起来的，以及这些结构之间如何相互作用的全部程度还不是很清楚。
Hendzel解释说，该团队的研究结果弥补了过去50年对实验室中产生的染色质凝胶的研究，证实了它们在活细胞中的存在，这对解释它们的弹性和机械特性有重大影响。
例如，最近的研究已表明，癌细胞中染色质的可变形性是决定它们能否挤过狭小的空间到肿瘤以外的地方去，并转移到身体的其他地方的重要因素---如果染色质是凝胶状的，而不是液体，这一点就更容易解释了。Hendzel说，癌细胞通过化学方式改变染色质的组蛋白部分，使其不那么粘稠，从而做到这一点。
根据这项新的研究，这可以解释为一个降低染色质凝胶的强度、使其更容易变形并使癌细胞扩散到全身的过程。确定这种凝胶状态是如何被调控的，可能通过寻找使染色质凝胶保持在更刚性状态的药物，从而找到防止癌症转移的新方法。
Underhill说，更好地理解染色质也可能影响癌症诊断。他说，“染色质的质地和外观是病理学家用来对患者的肿瘤样本进行临床评估的指标。真正看的是染色质在细胞核内是如何组装的，这让他们能够对该临床诊断提出新的见解。因此如今，这是一个我们可以在染色质的物质状态的新背景下重构的过程。”
Hendzel说，他相信染色质的这种凝胶状状态的发现将为未来寻求了解染色质的物质特性如何塑造细胞核的功能，以确保对细胞及其组成的生物体的健康的研究提供指导原则。
他说，“对我来说，最重要的事情之一是，这项研究凸显了我们在这一领域的知识是多么有限。目前，我们专注于验证广泛持有的观点，即分子的物理大小决定了它们访问DNA的能力。我们正在进行的实验表明，这也可能是不正确的，我们非常兴奋地了解到根据染色质凝胶的性质和在其周围组装的液体微环境控制DNA访问的新机制。”
Underhill补充道，“我认为，这迫使我们回过头去看看教科书上的内容，在‘这是液体’还是‘这是凝胶’的背景下，重新解释这一过程实际上是如何发生的。这将对我们如何看待事物的发展，以及我们如何设计实验和解释它们产生很大影响。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
Hilmar Strickfaden et al. Condensed Chromatin Behaves like a Solid on the Mesoscale In Vitro and in Living Cells. Cell, 2020,doi:10.1016/j.cell.2020.11.027.
图片来自Cell, 2020,doi:10.1016/j.cell.2020.11.027。
Hendzel说，以前，生物化学等领域是在染色质和细胞核的其他组分以液体状态运行的假设下进行的。这种对染色质物理特性的新理解挑战了这种观点法，并可能导致对基因组如何编码和解码的更准确理解。
Hendzel说，“我们都知道水和冰的区别，我们都明白，如果你想把两个东西连接在一起，你不能用液体来做。你需要一根绳子，即有机械强度的东西。这就是我们在这项研究中谈论的东西。如今，我们对基因调控的所有理解主要是基于自由移动的蛋白的假设：这些蛋白可以找到DNA，并且对它的可访问性仅通过阻断这种运动来调节。因此，这项研究有可能会带来非常不同的理解基因表达的方式。”
论文共同作者、阿尔伯塔大学肿瘤学系副教授Alan Underhill说，“另一种看法是，骨骼、肌肉和结缔组织都具有非常不同的物理特性，如果这些物理特性以某种方式破坏，它几乎总是与疾病相关。就染色质而言，这是把这个原则缩小到细胞核的水平，这是因为它们都是相连的。”
他补充道，“我们在这项研究中看到的是将细胞内含物的生物化学和基本物理衔接起来，这让我们能够了解组织原理--不仅仅是细胞，而是整个身体。”
我们所有的染色体都是由染色质组成的。染色质一半是组蛋白，一半是DNA，它被组装成长长的线，上面有珠状结构（核小体）。在细胞核内，染色质纤维与自身相互作用而浓缩成染色体。染色质纤维还支持基因表达和染色体DNA的复制。虽然人们对构成细胞核的结构有一定的了解，但这些结构是如何组装起来的，以及这些结构之间如何相互作用的全部程度还不是很清楚。
Hendzel解释说，该团队的研究结果弥补了过去50年对实验室中产生的染色质凝胶的研究，证实了它们在活细胞中的存在，这对解释它们的弹性和机械特性有重大影响。
例如，最近的研究已表明，癌细胞中染色质的可变形性是决定它们能否挤过狭小的空间到肿瘤以外的地方去，并转移到身体的其他地方的重要因素---如果染色质是凝胶状的，而不是液体，这一点就更容易解释了。Hendzel说，癌细胞通过化学方式改变染色质的组蛋白部分，使其不那么粘稠，从而做到这一点。
根据这项新的研究，这可以解释为一个降低染色质凝胶的强度、使其更容易变形并使癌细胞扩散到全身的过程。确定这种凝胶状态是如何被调控的，可能通过寻找使染色质凝胶保持在更刚性状态的药物，从而找到防止癌症转移的新方法。
Underhill说，更好地理解染色质也可能影响癌症诊断。他说，“染色质的质地和外观是病理学家用来对患者的肿瘤样本进行临床评估的指标。真正看的是染色质在细胞核内是如何组装的，这让他们能够对该临床诊断提出新的见解。因此如今，这是一个我们可以在染色质的物质状态的新背景下重构的过程。”
Hendzel说，他相信染色质的这种凝胶状状态的发现将为未来寻求了解染色质的物质特性如何塑造细胞核的功能，以确保对细胞及其组成的生物体的健康的研究提供指导原则。
他说，“对我来说，最重要的事情之一是，这项研究凸显了我们在这一领域的知识是多么有限。目前，我们专注于验证广泛持有的观点，即分子的物理大小决定了它们访问DNA的能力。我们正在进行的实验表明，这也可能是不正确的，我们非常兴奋地了解到根据染色质凝胶的性质和在其周围组装的液体微环境控制DNA访问的新机制。”
Underhill补充道，“我认为，这迫使我们回过头去看看教科书上的内容，在‘这是液体’还是‘这是凝胶’的背景下，重新解释这一过程实际上是如何发生的。这将对我们如何看待事物的发展，以及我们如何设计实验和解释它们产生很大影响。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
Hilmar Strickfaden et al. Condensed Chromatin Behaves like a Solid on the Mesoscale In Vitro and in Living Cells. Cell, 2020,doi:10.1016/j.cell.2020.11.027.
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