酵母核仁染色质的多尺度可视化研究揭示染色质纳米结构域与核仁功能分区机制

本研究通过随机照明显微镜(RIM)和单分子定位显微镜(SMLM)技术，以酿酒酵母为模型，首次在50-250 nm分辨率下系统解析了核质与核仁染色质的空间组织特征。研究发现染色质纤维存在未被计算模型预测的局部簇状结构（纳米域），并证实核仁染色质富集于纤维中心(FC)亚区，与活跃转录的rDNA形成空间分隔。该成果为理解染色质主动组织机制和核仁功能分区提供了重要实验依据。

　　

在真核细胞中，染色质的空间组织对基因组稳定性、转录调控和有丝分裂分离至关重要。然而，由于技术限制，人们对染色质在纳米尺度的精细结构仍知之甚少。酿酒酵母作为经典模式生物，其基因组虽小但高度有序，16条染色体中约1 Mb的核糖体DNA(rDNA)被限制在核仁内，其余12 Mb位于核质中。尽管聚合物模型能较好预测酵母染色质的全局构象，但这些被动运动模型无法解释分子马达和核凝聚体对局部结构的主动调控。更关键的是，标准荧光显微镜200 nm的分辨率限制使得染色质纤维呈现模糊的"管状"外观，而电子显微镜虽分辨率高却难以特异性标记染色质。这种技术鸿沟导致两个核心问题悬而未决：染色质纤维是否存在未被模型预测的纳米级组织特征？核仁内rDNA的空间分布如何与转录活性相关联？

为回答这些问题，法国居里研究所等机构的研究人员在《Journal of Structural Biology》发表研究，结合多种超分辨成像技术对酵母染色质进行多尺度解析。研究团队首先构建了携带H2A-mCherry组蛋白标记、FROS系统标记rDNA以及Net1-mKate转录标记的酵母菌株，通过随机照明显微镜(RIM)将分辨率提升至150 nm，并进一步利用单分子定位显微镜(SMLM)达到50 nm分辨率。为关联超微结构，研究还开发了优化的相关光镜电镜(CLEM)流程，实现荧光标记与透射电镜图像的精准对应。通过开发"à trou"小波滤波算法定量分析染色质纹理特征，并将实验结果与Wong等建立的酵母基因组in silico模型进行系统比对。

在"探索酵母染色质结构的RIM显微镜研究"部分，研究发现150 nm分辨率下核质染色质呈现明显的局部簇状结构，与模型预测的连续管状形态显著不同。定量分析显示实验组染色质域圆度指数显著高于虚拟成像(0.72 vs 0.58)，这种"纳米域"特征在50 nm SMLM成像中更为明显。有趣的是，rDNA染色质虽密度较低，但同样表现出簇状分布模式，提示这可能是一种普适性染色质组织原则。

"单分子定位显微镜揭示染色质纳米域"的研究通过PALM技术对H2A-mEosEM标记的染色质进行分析。尽管存在光激活空间偏倚，4×10⁴个定位点达到50 nm分辨率的数据显示，染色质形成直径约100 nm的紧密簇群，相邻簇间距多小于100 nm。这种"串珠状"结构与哺乳动物中报道的核小体簇(nucleosome clutches)相似，但明显不同于虚拟成像中预测的均一纤维结构。

关于"转录活性rDNA的区域组织"，研究通过Net1-mKate标记活性rDNA基因，发现其与标记全部rDNA的FROS信号仅部分重叠。RIM活细胞成像显示两者存在动态空间分离，这种分布在转录抑制时发生显著重组。CLEM技术最终确认rDNA主要富集在核仁纤维中心(FC)，而Net1位于FC与致密纤维组分(DFC)界面，该区域同时富含RNA聚合酶I(Pol I)和加工snoRNP的Nop56蛋白。

这项研究通过多尺度成像技术揭示了几个重要发现：首先，酵母染色质在50-250 nm尺度存在普遍存在的纳米级簇状结构，这种特征未被现有聚合物模型预测，提示局部染色质组织可能受分子马达或相分离机制调控；其次，核仁内rDNA形成特定功能分区，非活性rDNA集中在FC核心，而转录活性区域分布在FC-DFC界面，这种空间隔离可能优化核糖体生物合成效率；最重要的是，研究证实酵母核仁存在类似后生动物的三区室结构(FC/DFC/GC)，为在遗传可操作系统中研究核仁组装机制奠定了基础。该工作建立的高分辨率染色质分析方法，将推动对染色质组织原理和核仁功能架构的更深入理解。