科学家们捕捉到了DNA液滴内部最详细的情况

高分辨率成像揭示了染色质凝聚物的内部布局，显示了DNA纤维如何在这些液滴状结构中折叠和相互作用。这些发现将分子结构与细胞中这些液滴的更广泛行为联系起来。

　　

在每个人体细胞内，都发生着分子组织的非凡壮举。大约六英尺的DNA必须被装入一个只有人类头发十分之一宽度的细胞核中，但DNA必须保持足够的可接近性以执行基本功能。

为了使这成为可能，DNA缠绕在蛋白质周围形成核小体。这些核小体像串珠一样连在一起，折叠成染色质纤维。然后，这些纤维被压缩得更紧，以适应细胞核。

发现DNA如何达到最紧凑的形式

多年来，研究人员不知道这种额外水平的染色质压实是如何发生的。2019年，HHMI研究员迈克尔·罗森和他在德克萨斯大学西南医学中心的团队报告说，实验室制造的核小体自然地聚集在一起，形成无膜的液滴，称为冷凝物。他们发现这一过程是通过相分离发生的，这一现象类似于油滴在水中形成的现象，他们认为这反映了染色质在活细胞内是如何凝聚的。

染色质凝聚体是由成千上万个快速移动的分子组成的。当它们聚集在一起时，它们显示出单独存在于分子中不存在的新特性。这些群体行为决定了凝聚体的形成方式以及它们如何保持其物理特性。

为了详细了解这些特性，科学家们需要观察液滴深处的染色质纤维和核小体。

Rosen的团队与加州大学圣地亚哥分校的HHMI调查员Elizabeth Villa合作；剑桥大学的Rosana Collepardo-Guevara；以及来自汉敏医疗学院珍妮莉亚研究校区的Zhiheng Yu，现在已经实现了这一目标。

高分辨率成像揭示液滴结构

利用Janelia先进的成像工具，研究人员捕获了迄今为止合成染色质凝聚物中分子如何排列的最详细视图。这些图像提供了染色质纤维和核小体如何被包裹在液滴状结构中的直接观察。同样的成像方法也被应用于检查实际细胞内的染色质。

通过将这些图像与计算机模拟和光学显微镜相结合，研究小组分析了合成凝聚物中的分子结构和相互作用。这让他们开始发现液滴是如何形成的以及它们的行为。

一个重要的发现是，核小体之间的连接体DNA的长度影响结构的整体排列。这种排列决定了染色质纤维如何相互作用，并在凝聚物中形成网络。

这些特征阐明了为什么一些染色质纤维比其他染色质纤维更容易进行相分离，以及为什么由不同染色质类型构建的凝聚物具有不同的材料特性。研究人员还发现，合成凝聚物与细胞中发现的致密染色质非常相似。

Rosen说：“这项工作使我们能够将单个分子的结构与其凝聚物的宏观特性联系起来，这是第一次。我敢肯定，我们只是冰山一角——我们和其他人会想出更好的方法，在中尺度上发展这些结构-功能关系。”

理解凝聚的更广泛框架

这些发现远远超出了染色质。该方法为研究多种生物分子凝聚体提供了一个模型，这些生物分子凝聚体是无膜的液滴，参与从基因调控到应激反应的基本细胞任务。

了解这些结构是如何组装和运作的，也可以揭示当凝结被破坏时会发生什么，这个问题被认为是导致从神经退行性疾病到癌症等各种疾病的原因。

“通过这项研究，我们将更好地了解异常凝结是如何导致不同疾病的，这可能有助于我们开发新一代的治疗方法，”Rosen实验室的博士后科学家、这项新研究的主要作者Huabin Zhou说。