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Science | 活细胞基因组位点微操作探究染色质物理性质

 abeycd 2022-08-16 发表于湖北

目前我们对于细胞核中染色质基因组的物理组织原理认识非常有限,因为缺乏在细胞内直接对间期染色体施加力和测量力的检测工具。为了解决这一问题,法国居里研究所Antoine Coulon研究组与Daniele Fachinetti研究组合作在Science发文题为Live-cell micromanipulation of a genomic locus reveals interphase chromatin mechanics,作者们建立了一种利用磁力操纵基因组位点的方法,发现染色质具有流动性而非类固体的凝胶状物质,为染色质动力学以及基因组功能的研究开辟了新的道路。

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关于染色质的的研究,染色体构象的观察和干扰方面的进展使得人们对于基因组的物理组织原理有了前所未有的认识,比如基因组环挤出、拓扑关联结构域以及染色质A/B隔室等。真核基因组不同层次的组织结构来源于相分离、ATP依赖的分子马达以及聚合物的拓扑效应【1-4】。然而,单个基因组位点的染色质以及染色体物理性质以及机械力转导的研究还尚不清楚。

为了对基因组位点进行微操作,作者们使用了磁性纳米粒子(Magnetic nanoparticles)【5】识别基因组位点的方法,并通过施加外部磁场对特定基因组位点进行操作(图1)。作者们所选择是铁蛋白磁性纳米粒子,该铁蛋白直径很小约为12nm左右,完整的铁蛋白纳米粒子位为28nm。通过体外合成标记eGFP且内含有磁力芯铁蛋白纳米粒子笼,作者们将纳米粒子进行人类细胞显微注射。该工具细胞的细胞核中具有在1号染色体上的重复序列,重复序列包括200个20kb基因结构,每个结构包含96个tetO结合位点和一个转基因盒,该转基因盒中包括TetR、mCherry以及识别GFP的纳米抗体。该基因组阵列中包括约19000个tetO结合位点。该工具过去被用于RNA Pol II功能、染色质修饰以及RNA合成的研究工具。因此,该工具细胞可以用于研究染色质发挥功能的过程。

作者们在显微注射磁性纳米粒子后,磁性纳米粒子会在基因组阵列上累积,荧光信号可以进行量化。另外,作者们发现显微注射和未结合磁性纳米粒子并不会显著改变染色质在细胞核内的分布和密度。通过操纵细胞外磁力开关,可以对相对应的基因位点进行操作(图1)。通过在显微镜台上放置和移除外部磁铁,可以实现对局部力场的调制。施加在基因组位点移动轨迹上的典型力在亚皮牛顿(pN)范围内,偶尔达到几皮牛,中位力数值大小为0.45皮牛。

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图1 基因组单个位点的磁力微操作

作者们通过施加磁力30分钟再释放30分钟,同时每隔两分钟进行三维成像,从而可以观察染色质位点的移动。图像分析表明,当对染色质持续单向施加力时,该位点会发生微米级别的位移,该结果表明染色质会在拥挤的细胞核环境中进行移动。进一步地,通过周期性施加力,牵拉100秒然后释放100秒,同时进行5秒钟间隔的快速成像。通过以上两个实验,作者们发现基因组位点在释放阶段的运动轨迹逐渐减慢,这是粘弹性材料的特性。另外,作者们发现轨迹的移动在空间中具有异质性,该异质性与DNA的密度变化相关。而且基因组位点的移动并未造成细胞核中大规模的形变,说明该位点并不会连带拖动周围的材料。这些结果均说明染色质具有粘弹性。

随后作者们进一步开发和试验能够模拟间期染色质特征的物理模型,该模型称为Rouse chain,通过该模型的模拟对染色质物理组织特征进行了定量化的研究。总的来说,作者们通过在活细胞中对基因组位点进行力学操作,发现染色质具有粘弹性类流体的性质,并且是游离的聚合体存在,这与之前认为染色质是一种相对坚硬、交联具有固体性质聚合物凝胶的研究不同。作者们发现通过施加皮牛级别的力可以轻易地移动基因组的位点,这为染色质动力学研究提供了重要的参考,也为在细胞核空间重新定位基因组位点开辟了新的途径。

原文链接:

/doi/10.1126/science.abi9810


参考文献


1. D. Jost, P. Carrivain, G. Cavalli, C. Vaillant, Nucleic Acids Res. 42, 9553–9561 (2014).

2. L. A. Mirny, M. Imakaev, N. Abdennur, Curr. Opin. Cell Biol. 58, 142–152 (2019).

3. E. J. Banigan, L. A. Mirny, Curr. Opin. Cell Biol. 64, 124–138 (2020).

4. J. D. Halverson, J. Smrek, K. Kremer, A. Y. Grosberg, Rep. Prog. Phys. 77, 022601 (2014)

5.  C. Monzel, C. Vicario, J. Piehler, M. Coppey, M. Dahan, Chem. Sci. 8, 7330–7338 (2017).

6. D. Liße et al., Adv. Mater. 29, 1700189 (2017)

7. S. M. Janicki et al., Cell 116, 683–698 (2004).

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