一項發(fā)表在《自然通訊》期刊上的研究成果發(fā)現了基因活性、基因組打包與全基因組運動(dòng)之間的驚人聯(lián)系，揭示了直接影響基因調控和表達的基因組組織的各個(gè)方面，進(jìn)一步加深了我們對單基因運動(dòng)背后力學(xué)的理解。

“基因組因基因轉錄驅動(dòng)的單基因運動(dòng)而被‘攪動(dòng)’，”紐約大學(xué)物理學(xué)教授、該研究的資深作者Alexandra Zidovska解釋道。“基因是否被讀取，會(huì )導致其運動(dòng)方式的不同，從而引發(fā)人類(lèi)基因組的復雜、類(lèi)似湍流的運動(dòng)。理解基因在細胞核內的運動(dòng)機制，可能是解開(kāi)基因組在不同狀態(tài)下表現的關(guān)鍵。”

人類(lèi)基因組的DNA長(cháng)度達兩米（約六英尺半），卻緊密包裹在直徑僅10微米的細胞核內，相當于DNA長(cháng)度的十萬(wàn)分之一。DNA分子承載著(zhù)所有細胞活動(dòng)所需的信息，基因作為信息單元，會(huì )在不同的時(shí)間被讀取并處理。當基因被讀取時(shí)，分子機器會(huì )接近它，并將其信息轉錄成mRNA分子，這一過(guò)程稱(chēng)為轉錄。

圖片鏈接：https://www.eurekalert.org/multimedia/1045909

圖片信息：人類(lèi)細胞核中基因組（綠色）和單個(gè)基因（品紅色）的可視化，基因組運動(dòng)由箭頭繪制，基因軌跡示例突出顯示為彩色曲線(xiàn)。

Zidovska及其團隊此前已經(jīng)發(fā)現，基因組在細胞核中會(huì )發(fā)生大量的“攪動(dòng)”或運動(dòng)，導致其重新組織和定位。

然而，這些運動(dòng)的起因至今尚未完全理解?？茖W(xué)家推測，由三磷酸腺苷（ATP）分子提供能量的分子馬達可能是運動(dòng)的驅動(dòng)力。這些馬達作用于DNA，進(jìn)而引發(fā)DNA及其周?chē)暮速|(zhì)——即其周?chē)牧黧w——的運動(dòng)。但更廣泛的物理機制仍不清楚。

基于此，Zidovska和她的團隊將重點(diǎn)放在RNA聚合酶II上，它負責轉錄，也是細胞核內最豐富的分子馬達之一。當基因活躍、即正在被轉錄時(shí)，相關(guān)分子機器在處理過(guò)程中會(huì )對DNA施加作用力。

在這項研究中，研究人員探討了單個(gè)活躍轉錄基因的運動(dòng)如何影響其周?chē)蚪M的運動(dòng)。為此，研究團隊使用CRISPR技術(shù)對單個(gè)基因進(jìn)行熒光標記，使用雙色高分辨率活細胞顯微鏡技術(shù)可視化這些標記基因的運動(dòng)，并使用位移相關(guān)光譜技術(shù)（DCS）映射整個(gè)細胞核中的基因組流動(dòng)。通過(guò)對高分辨率圖像數據進(jìn)行物理和數學(xué)分析，研究揭示了基因在細胞內運動(dòng)的全新物理圖景。

研究人員首先觀(guān)察了基因處于非活躍狀態(tài)時(shí)的運動(dòng)，然后通過(guò)“啟動(dòng)”這些基因，觀(guān)察它們活躍后運動(dòng)方式的變化。同時(shí)，團隊使用DCS映射周?chē)蚪M的流動(dòng)，監測基因激活前后基因組在整個(gè)細胞核中的運動(dòng)情況。

研究發(fā)現，活躍的基因確實(shí)對基因組的攪動(dòng)運動(dòng)產(chǎn)生影響。通過(guò)同時(shí)映射單基因和基因組范圍內的運動(dòng)，研究表明基因組的緊湊程度會(huì )影響單個(gè)基因的運動(dòng)貢獻。具體而言，運動(dòng)相關(guān)性分析表明，在緊湊度較低的區域，單個(gè)活躍基因推動(dòng)基因組的運動(dòng)；而在緊湊度較高的區域，無(wú)論基因是否活躍，都是基因組驅動(dòng)基因的運動(dòng)。

“通過(guò)揭示基因活性、基因組緊湊性和基因組范圍運動(dòng)之間的意外聯(lián)系，這些發(fā)現揭示了基因組時(shí)空組織中的一些方面，這些方面直接影響著(zhù)基因的調控和表達，”Zidovska表示。

“這項研究為我們提供了有關(guān)活躍生命系統物理學(xué)的新見(jiàn)解，”她指出。“通過(guò)揭示人類(lèi)基因組等活躍生命系統的涌現行為，它為我們帶來(lái)了新的物理學(xué)知識。”

雜志：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-51149-4