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基于DNA在细胞核内组织的替代基因控制机制

东京大学的研究人员已经确定了细胞核的结构如何改变植物中的基因活性。这一发现揭示了有关基因组调控的基础知识,并指出了未来可能同时操纵许多基因表达的方法。

包含长链DNA和打开或关闭基因表达所需的蛋白质机制,它们漂浮在细胞核内。核本质上是一个由柔软的双膜包膜制成的麻袋,由被称为核层的内部细网状蛋白框架支撑。

东京大学前沿科学研究科大学研究项目的松永幸弘教授说:“ DNA不会在核内无目的地漂移。我们期望核层周围基因的位置是非随机的。”通讯。

通常在读取DNA序列的一维水平上研究基因调控。通过改变DNA链的形状,可以在3-D中进行其他基因调控。例子包括表观遗传密码,该密码指示如何紧密缠绕DNA链和“亲吻基因”现象,其中DNA链的遥远部分折叠在一起并改变彼此接触的基因的活性。

这些新结果为另一种3-D基因调控方法提供了证据,该方法不仅涉及基因组的结构,还涉及其容器核的结构。

科学界很早就知道,核的形状和大小在细胞的生命周期中会发生剧烈波动,而且这些变化甚至可以作为确定细胞年龄的“内部时钟”进行计时。但是,这些发现是利用动物细胞获得的。植物不具有与动物中负责核层的基因进化相关的任何基因。

松永永说:“教科书通常对动物叶片有几句话,但对植物叶片却无话可说。”

该研究小组的某些成员在2013年的先前工作中,鉴定出了四种蛋白质,称为CROWDED NUCLEI(CRWN),它们是植物核层中最可能的成分。

为了确认叶片中是否存在CRWN蛋白,研究人员首先将荧光标签附着到了蛋白质上,并从年轻的拟南芥水芹植物的根细胞中分离出了细胞核,后者是研究实验室常用的路边杂草。然后他们在超高分辨率显微镜图像中测量了蛋白质的位置。

这些极其放大的图像显示了由CRWN蛋白围绕核壳形成的网状图案。

健康的植物细胞具有一个椭圆形的核,看起来像一个大鸡蛋,位于细胞中心。经过基因改造的植物缺乏CRWN蛋白,其细胞核比正常的更小,更圆,可能为内部DNA创造了更加拥挤的环境。

研究人员随后筛选了转基因植物,以了解抑制冠状基因后是否还有其他基因具有不同的活性水平。已知与铜反应有关的多个基因活性较低,表明核层以某种方式与铜耐受性有关。

即使在正常土壤中,缺乏CRWN蛋白的植物的生长也比健康植物短。在铜含量高的土壤中种植的具有不活跃冠状基因的Thale水芹变得更小,且外观明显较弱,这进一步证明了核叶片在植物对环境胁迫的反应中具有作用。

研究人员还可视化了正常铜水平和高铜水平下铜耐受基因在细胞核中的物理位置。在高铜条件下的健康植物中,铜耐性基因簇集在一起,甚至移至更靠近核外围的位置。铜耐性基因似乎在具有不活跃的冠状基因的植物中散布并漂移到核周围。

“如果植物细胞核具有用于DNA主动转录的不同区域,那么这些区域很可能会靠近核层。这很重要而且很有趣,因为它与动物细胞相反,我们知道动物细胞在细胞中心原子核,而外围处于非活动状态。”松永说。

大多数增加或减少基因活性的基因编辑技术都直接在改变单个基因的DNA序列的一维水平上起作用。了解核层如何影响基因表达可以揭示未来通过重塑基因组和核层来改变许多基因活性的方法。

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