生物教科書中描繪DNA是如何在細胞核裡排列的圖片，很可能會讓人產生食慾，因為漂浮在液體中一條又一條的DNA鏈看起來就像一碗拉麵。然而根據兩項新的研究，一項是實驗，另一項是理論，這個圖像應該重新受到檢視。這兩項研究是魏茲曼科學研究所分子遺傳系Talila Volk教授以及化學與生物物理系Sam Safran教授兩個研究團隊合作的結果。釐清DNA在細胞核的空間排列是至關重要的，因為這會影響到DNA分子中的基因表達，進而影響細胞中的蛋白。
本研究始於Volk在研究肌肉的細胞核如何受機械力的影響、並找到支持肌肉收縮會直接影響基因表達的證據。她表示他們當時研究工作無法繼續，因為現行研究方法仰賴的是以化學方式保存之細胞成像，無法捕捉實際作用中的肌肉細胞的細胞核內發生的活動。
為了解決這個問題，Volk實驗室的Dana Lorber博士設計了一個裝置，可以研究活體果蠅幼蟲的肌肉細胞核。該裝置將微小且半透明的幼蟲固定在一個凹槽內，使其肌肉運動處於受限狀態但能進行正常收縮和舒張，以便螢光顯微鏡進行掃描。研究人員由此獲取染色質（DNA-蛋白複合體）在內部呈線性排列並受肌肉細胞核膜包圍的影像。
研究人員原本期待看到滿滿一碗拉麵的影像，卻得到出乎意料的結果。這些如同麵條的長條染色質分子排列成相當薄的一層，附著在細胞核的內壁上。類似於油水交互會發生的相分離，染色質與細胞核內大量的液體分開，安身在外圍，絕大部分的液體介質處於核中心。研究人員意識到他們面臨的是生物學的根本問題：染色質及DNA如何在活體生物之細胞核中排列。對於如此出乎意料之外的發現，研究人員必需確保其中沒有錯誤，而且這樣的排列是普遍的現象而非例外。經跨系研究團隊攜手確認後，研究人員得出的結論是這個發現並沒錯。他們建立了理論模型，考慮支配細胞核中染色質排列的物理力量，例如染色質和其液體環境之間，以及染色質和核膜間的相對吸引力。該模型預測染色質依據細胞核內液體的相對量，應從液相中分離出來。經過相分離的染色質沿著核膜內側排列，正如Volk團隊在實驗中的發現。
研究團隊也解釋了為什麼以前認為染色質似乎是佈滿細胞核：「為了在顯微鏡下觀察細胞，當細胞被放在載玻片上，可能改變了細胞容積並壓平其結構，改變支配染色質排列的力量，並縮短細胞核從上到其下的距離」，Safran說道。為了確定這不僅限於果蠅的肌肉細胞，研究人員又與免疫學系合作，在活人體白血球上進行研究。結果亦是染色質也類似地排列成襯在細胞核內壁的一層。研究人員指出，這說明了上述現象應該是普遍存在，演化過程中染色質一直維持如此的排列。
這項研究為DNA在細胞中排列的研究開闢了新的途徑，以及延伸研究物理力作用於細胞核及染色質上，繼而會影響基因表達。一個潛在研究方向是探索健康細胞和患病細胞的DNA排列差異，若真如此，這可能應用於疾病診斷，比如說成為檢測癌症的新指標。或者在胚胎發育研究中，探索DNA的排列可能有助於釐清物理力量是否會影響細胞分化。除此之外，人們已知細胞所處表面的硬度可改變其基因的表達，本項新研究顯示這可能與表面對核膜的推拉以及其對於核內DNA排列的影響有關。對這樣相互影響更深入的理解可能有助於控制細胞內的基因表達，可藉由基因工程使組織獲得所需的特性。
資料來源：https://wis-wander.weizmann.ac.il/life-sciences/outskirts-nucleus
