撰文 | nagashi

編輯 | 王聰

排版 | 水成文

自然萬物都遵循著一定的規律，而物理規律是宇宙的基礎。對於自然生物而言，也是一樣的，從飛鳥鳴蟬到游魚走獸，從光合作用到有氧呼吸，歸根結底，一切都受物理定律的支配，包括基因調控。

科學研究的魅力在於打破常規，進入21世紀，科學技術的革新使得人類得以觀察細胞內更微觀的結構，而這些新的觀察結果也不斷推翻了之前的認知。例如，2018年12月13日，哈佛大學 Adam Cohen 、師徵等人在 Cell 雜誌發表題為：Cell Membranes Resist Flow（細胞膜抗流動）的研究論文【1】。

該研究認為細胞膜實際上更接近類似果凍的半固體，對已編入高中、大學課本的“流動鑲嵌模型”和“脂筏模型”發起挑戰，改寫了關於細胞膜流體性質及其對張力的反應的傳統理論。

無獨有偶，近日，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同樣在 Cell 雜誌上發表了一篇題為：Condensed Chromatin Behaves like a Solid on the Mesoscale In Vitro and in Living Cells 的顛覆性研究論文【2】。

這篇文章指出，凝聚的染色質以固體狀態存在，其性質可以抵抗外力，並形成彈性凝膠，為染色質結合蛋白的液-液相分離提供支架。由此看來，把染色質看作一種凝膠，可以讓我們更準確地理解基因組是如何編碼和解碼的。

染色體是遺傳物質的主要結構，染色體由染色質組成，而染色質又由組蛋白和DNA組成。不僅如此，染色質的結構和狀態對於真核基因組的時空控制十分重要——支援基因表達和染色體DNA的複製，且與癌症的發生發展密切相關。

通常而言，我們認為染色質處於一種液態狀態，調節蛋白可能會在細胞核中漂移遊動，直至與目標DNA相遇，除非DNA附近的分子或大分子物質構成障礙。但也有研究表明，細胞核中的物質流動性會比之前認為的更小，並且在超分子水平上表現得更有組織性，而這要歸因於與物質狀態相關的物理定律。

在此項研究中，研究團隊檢測了凝聚染色質在體外和體內的物理狀態。研究結果表明，核小體陣列在各種溶液條件下的自締合產生超分子凝聚，其中染色質呈現出物理約束和固體狀。

染色質凝膠在體外表現出固相行為

與此同時，透過測量活細胞中的DNA流動性，研究人員發現染色質濃縮在體內也表現出固體狀的行為。然而，典型的異染色質蛋白卻表現出液體樣的行為，並在固體染色質支架周圍合併。

更重要的是，即使在染色質纖維之間產生有限的相互作用的條件下，常染色質和異染色質也表現出固狀行為。

活細胞中異染色質和常染色質的固相行為

論文的第一作者Hilmar Strickfaden博士表示：“雖然有證據表明異染色質存在液體隔間，但我們發現，染色質本身並不是處於液體狀態，因此，我們得出結論，染色質是一種固體狀支架，可以支援液體狀腔室的組裝，這些腔室富含滲透到纖維基質中的特定效應蛋白。”

值得一提的是，最近的一項研究表明，癌細胞中染色質的變形能力是允許它們擠過狹小空間實現轉移擴散的重要決定因素。基於這一發現，如果事實證明，染色質凝膠可以變得不那麼牢固，就可以更好地解釋這一現象。

在癌細胞中，如果組蛋白部分發生某些化學修飾，染色質就可能變得不那麼粘，且當這一過程與染色質凝膠狀態的改變同時發生時，那將大大降低了染色質凝膠的強度，使其更容易變形，並使癌細胞能夠在全身擴散。

由此看來，確定染色質凝膠狀態是如何被調節的，並尋找或開發可以維持染色質凝膠固體狀態的藥物，就可以開闢一個全新的、防止癌細胞轉移的治療途徑。

一個解釋染色質和染色質室的物理特性的模型

論文的第一作者Hilmar Strickfaden博士表示，他相信，染色質凝膠狀狀態的發現將為未來的研究提供指導原則，這使得人類可以更好地理解染色質的物質屬性如何塑造細胞核的功能，以確保細胞和機體的健康！

不僅如此，該研究團隊還計劃驗證另一個被廣泛認可的假設的正確性，即分子的物理大小決定了它們訪問DNA的能力。目前，初步的研究結果表明，這也可能是不正確的——染色質凝膠的性質和圍繞它的液體微環境的變化可能會顛覆這一認知！

論文連結：

[1] https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.09.054

[2] https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.11.027