Cell：挑戰常規！染色質不是固體也不是液體，而更像一種凝膠

基因組生物學中一個自DNA發現以來一直困擾著科學家們的基本問題：在我們的細胞核內， DNA和蛋白的複雜包裹物（即染色質）是固體還是液體？在一項新的研究中，來自加拿大阿爾伯塔大學和美國科羅拉多州立大學的研究人員找到了這個問題的答案。他們發現染色質既不是固體也不是液體，而是更像一種凝膠。相關研究結果近期發表在Cell期刊上，論文標題為“Condensed Chromatin Behaves like a Solid on the Mesoscale In Vitro and in Living Cells”。論文通訊作者為阿爾伯塔大學腫瘤學系教授Michael Hendzel和科羅拉多州立大學的Jeffrey Hansen。

Hendzel說，以前，生物化學等領域是在染色質和細胞核的其他組分以液體狀態執行的假設下進行的。這種對染色質物理特性的新理解挑戰了這種觀點法，並可能導致對基因組如何編碼和解碼的更準確理解。

Hendzel說，“我們都知道水和冰的區別，我們都明白，如果你想把兩個東西連線在一起，你不能用液體來做。你需要一根繩子，即有機械強度的東西。這就是我們在這項研究中談論的東西。如今，我們對基因調控的所有理解主要是基於自由移動的蛋白的假設：這些蛋白可以找到DNA，並且對它的可訪問性僅透過阻斷這種運動來調節。因此，這項研究有可能會帶來非常不同的理解基因表達的方式。”

論文共同作者、阿爾伯塔大學腫瘤學系副教授Alan Underhill說，“另一種看法是，骨骼、肌肉和結締組織都具有非常不同的物理特性，如果這些物理特性以某種方式破壞，它幾乎總是與疾病相關。就染色質而言，這是把這個原則縮小到細胞核的水平，這是因為它們都是相連的。”

他補充道，“我們在這項研究中看到的是將細胞內含物的生物化學和基本物理銜接起來，這讓我們能夠了解組織原理——不僅僅是細胞，而是整個身體。”

我們所有的染色體都是由染色質組成的。染色質一半是組蛋白，一半是DNA，它被組裝成長長的線，上面有珠狀結構（核小體）。在細胞核內，染色質纖維與自身相互作用而濃縮成染色體。染色質纖維還支援基因表達和染色體DNA的複製。雖然人們對構成細胞核的結構有一定的瞭解，但這些結構是如何組裝起來的，以及這些結構之間如何相互作用的全部程度還不是很清楚。

Hendzel解釋說，該團隊的研究結果彌補了過去50年對實驗室中產生的染色質凝膠的研究，證實了它們在活細胞中的存在，這對解釋它們的彈性和機械特性有重大影響。

例如，最近的研究已表明，癌細胞中染色質的可變形性是決定它們能否擠過狹小的空間到腫瘤以外的地方去，並轉移到身體的其他地方的重要因素——-如果染色質是凝膠狀的，而不是液體，這一點就更容易解釋了。Hendzel說，癌細胞透過化學方式改變染色質的組蛋白部分，使其不那麼粘稠，從而做到這一點。

根據這項新的研究，這可以解釋為一個降低染色質凝膠的強度、使其更容易變形並使癌細胞擴散到全身的過程。確定這種凝膠狀態是如何被調控的，可能透過尋找使染色質凝膠保持在更剛性狀態的藥物，從而找到防止癌症轉移的新方法。

Underhill說，更好地理解染色質也可能影響癌症診斷。他說，“染色質的質地和外觀是病理學家用來對患者的腫瘤樣本進行臨床評估的指標。真正看的是染色質在細胞核內是如何組裝的，這讓他們能夠對該臨床診斷提出新的見解。因此如今，這是一個我們可以在染色質的物質狀態的新背景下重構的過程。”

Hendzel說，他相信染色質的這種凝膠狀狀態的發現將為未來尋求瞭解染色質的物質特性如何塑造細胞核的功能，以確保對細胞及其組成的生物體的健康的研究提供指導原則。

他說，“對我來說，最重要的事情之一是，這項研究凸顯了我們在這一領域的知識是多麼有限。目前，我們專注於驗證廣泛持有的觀點，即分子的物理大小決定了它們訪問DNA的能力。我們正在進行的實驗表明，這也可能是不正確的，我們非常興奮地瞭解到根據染色質凝膠的性質和在其周圍組裝的液體微環境控制DNA訪問的新機制。”

Underhill補充道，“我認為，這迫使我們回過頭去看看教科書上的內容，在‘這是液體’還是‘這是凝膠’的背景下，重新解釋這一過程實際上是如何發生的。這將對我們如何看待事物的發展，以及我們如何設計實驗和解釋它們產生很大影響。”（生物谷 Bioon。com）

參考資料：

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.