基因組生物學(xué)中一個(gè)自DNA發(fā)現(xiàn)以來(lái)一直困擾著科學(xué)家們的基本問(wèn)題：在我們的細(xì)胞核內(nèi), DNA和蛋白的復(fù)雜包裹物（即染色質(zhì)）是固體還是液體?在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自加拿大阿爾伯塔大學(xué)和美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)的研究人員找到了這個(gè)問(wèn)題的答案。他們發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)既不是固體也不是液體，而是更像一種凝膠。相關(guān)研究結(jié)果近期發(fā)表在Cell期刊上，論文標(biāo)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(xué)腫瘤學(xué)系教授Michael Hendzel和科羅拉多州立大學(xué)的Jeffrey Hansen。

Hendzel說(shuō)，以前，生物化學(xué)等領(lǐng)域是在染色質(zhì)和細(xì)胞核的其他組分以液體狀態(tài)運(yùn)行的假設(shè)下進(jìn)行的。這種對(duì)染色質(zhì)物理特性的新理解挑戰(zhàn)了這種觀點(diǎn)法，并可能導(dǎo)致對(duì)基因組如何編碼和解碼的更準(zhǔn)確理解。

Hendzel說(shuō)，“我們都知道水和冰的區(qū)別，我們都明白，如果你想把兩個(gè)東西連接在一起，你不能用液體來(lái)做。你需要一根繩子，即有機(jī)械強(qiáng)度的東西。這就是我們?cè)谶@項(xiàng)研究中談?wù)摰臇|西。如今，我們對(duì)基因調(diào)控的所有理解主要是基于自由移動(dòng)的蛋白的假設(shè)：這些蛋白可以找到DNA，并且對(duì)它的可訪問(wèn)性僅通過(guò)阻斷這種運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)。因此，這項(xiàng)研究有可能會(huì)帶來(lái)非常不同的理解基因表達(dá)的方式。”

論文共同作者、阿爾伯塔大學(xué)腫瘤學(xué)系副教授Alan Underhill說(shuō)，“另一種看法是，骨骼、肌肉和結(jié)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(guān)。就染色質(zhì)而言，這是把這個(gè)原則縮小到細(xì)胞核的水平，這是因?yàn)樗鼈兌际窍噙B的。”

他補(bǔ)充道，“我們?cè)谶@項(xiàng)研究中看到的是將細(xì)胞內(nèi)含物的生物化學(xué)和基本物理銜接起來(lái)，這讓我們能夠了解組織原理--不僅僅是細(xì)胞，而是整個(gè)身體。”

我們所有的染色體都是由染色質(zhì)組成的。染色質(zhì)一半是組蛋白，一半是DNA，它被組裝成長(zhǎng)長(zhǎng)的線，上面有珠狀結(jié)構(gòu)（核小體）。在細(xì)胞核內(nèi)，染色質(zhì)纖維與自身相互作用而濃縮成染色體。染色質(zhì)纖維還支持基因表達(dá)和染色體DNA的復(fù)制。雖然人們對(duì)構(gòu)成細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)有一定的了解，但這些結(jié)構(gòu)是如何組裝起來(lái)的，以及這些結(jié)構(gòu)之間如何相互作用的全部程度還不是很清楚。

Hendzel解釋說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果彌補(bǔ)了過(guò)去50年對(duì)實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生的染色質(zhì)凝膠的研究，證實(shí)了它們?cè)诨罴?xì)胞中的存在，這對(duì)解釋它們的彈性和機(jī)械特性有重大影響。

例如，最近的研究已表明，癌細(xì)胞中染色質(zhì)的可變形性是決定它們能否擠過(guò)狹小的空間到腫瘤以外的地方去，并轉(zhuǎn)移到身體的其他地方的重要因素---如果染色質(zhì)是凝膠狀的，而不是液體，這一點(diǎn)就更容易解釋了。Hendzel說(shuō)，癌細(xì)胞通過(guò)化學(xué)方式改變?nèi)旧|(zhì)的組蛋白部分，使其不那么粘稠，從而做到這一點(diǎn)。

根據(jù)這項(xiàng)新的研究，這可以解釋為一個(gè)降低染色質(zhì)凝膠的強(qiáng)度、使其更容易變形并使癌細(xì)胞擴(kuò)散到全身的過(guò)程。確定這種凝膠狀態(tài)是如何被調(diào)控的，可能通過(guò)尋找使染色質(zhì)凝膠保持在更剛性狀態(tài)的藥物，從而找到防止癌癥轉(zhuǎn)移的新方法。

Underhill說(shuō)，更好地理解染色質(zhì)也可能影響癌癥診斷。他說(shuō)，“染色質(zhì)的質(zhì)地和外觀是病理學(xué)家用來(lái)對(duì)患者的腫瘤樣本進(jìn)行臨床評(píng)估的指標(biāo)。真正看的是染色質(zhì)在細(xì)胞核內(nèi)是如何組裝的，這讓他們能夠?qū)υ撆R床診斷提出新的見(jiàn)解。因此如今，這是一個(gè)我們可以在染色質(zhì)的物質(zhì)狀態(tài)的新背景下重構(gòu)的過(guò)程。”

Hendzel說(shuō)，他相信染色質(zhì)的這種凝膠狀狀態(tài)的發(fā)現(xiàn)將為未來(lái)尋求了解染色質(zhì)的物質(zhì)特性如何塑造細(xì)胞核的功能，以確保對(duì)細(xì)胞及其組成的生物體的健康的研究提供指導(dǎo)原則。

他說(shuō)，“對(duì)我來(lái)說(shuō)，最重要的事情之一是，這項(xiàng)研究凸顯了我們?cè)谶@一領(lǐng)域的知識(shí)是多么有限。目前，我們專注于驗(yàn)證廣泛持有的觀點(diǎn)，即分子的物理大小決定了它們?cè)L問(wèn)DNA的能力。我們正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，這也可能是不正確的，我們非常興奮地了解到根據(jù)染色質(zhì)凝膠的性質(zhì)和在其周圍組裝的液體微環(huán)境控制DNA訪問(wèn)的新機(jī)制。”

Underhill補(bǔ)充道，“我認(rèn)為，這迫使我們回過(guò)頭去看看教科書(shū)上的內(nèi)容，在‘這是液體’還是‘這是凝膠’的背景下，重新解釋這一過(guò)程實(shí)際上是如何發(fā)生的。這將對(duì)我們?nèi)绾慰创挛锏陌l(fā)展，以及我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和解釋它們產(chǎn)生很大影響。”