科學家們已經(jīng)描繪了當干細胞成熟為神經(jīng)細胞時遺傳物質(zhì)的重組。詳細的三維可視化顯示細胞核中遺傳物質(zhì)的意外連接，并提供對細胞進化結(jié)構(gòu)的新理解。這些獨特的小鼠嗅覺細胞三維重建控制著嗅覺，是在能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)使用X射線成像工具獲得的。這些結(jié)果可以幫助我們理解細胞核中含有染色質(zhì)的含DNA物質(zhì)的模式和重組是如何與細胞的特化功能相關(guān)聯(lián)的，因為特定的基因被激活或沉默。

染色質(zhì)被壓縮形成染色體，染色體在細胞分裂過程中沿著生物體的遺傳指紋傳遞給新形成的細胞。結(jié)果發(fā)表在本周的細胞報告特刊上，該報告重點介紹表觀遺傳學，這是一個研究領(lǐng)域，專注于影響基因表達的生物化學層，與DNA緊密結(jié)合，但不會改變遺傳密碼。

研究人員在伯克利實驗室的高級光源(ALS)上使用強大的X射線顯微鏡捕捉成熟不同階段的神經(jīng)細胞樣本的圖像，因為它們變得更加專注于它們的功能 - 這個過程被稱為“分化”。每個階段的細胞使用X射線從幾十個不同的角度成像。每組2-D圖像用于計算細胞的3-D重建，詳細描述細胞核中變化的染色質(zhì)形成。

他們還能夠以一種稱為異染色質(zhì)的染色質(zhì)形式測量密集堆積，并且他們了解了特定蛋白質(zhì)在控制異染色質(zhì)的壓實及其對細胞核的限制中的重要性。

“這是我們不必對細胞進行化學處理的細胞核的新方法，”國家X射線斷層掃描中心(NCXT)主任Carolyn Larabell表示，這是伯克利實驗室和加州大學圣地亞哥分校的聯(lián)合項目。弗朗西斯科(UCSF)。“能夠直接成像和量化細胞核的變化是非常重要的，多年來一直是細胞生物學家的愿望清單。”

她說，染色質(zhì)對于化學污漬和其他常用于生物成像的化學添加劑非常敏感，以突出特定樣品中的感興趣區(qū)域。“到目前為止，它只能通過染色來間接地對細胞核進行成像，在這種情況下，研究人員必須對染色均勻分布的信念進行一次飛躍。”

伯克利實驗室的一名教師科學家和加州大學舊金山分校的教授Larabell表示，之前認為染色質(zhì)存在于一系列斷開的島嶼中，盡管最新的研究顯示染色質(zhì)是如何劃分為兩個截然不同的“擁擠”區(qū)域，形成一個連續(xù)的整個核心的網(wǎng)絡(luò)。

“我們真的很驚訝：沒有島嶼，它們都是相連的，”她補充道，“我們可以看到染色質(zhì)如何穿過細胞核以及分子如何穿過細胞核，我們發(fā)現(xiàn)異染色質(zhì)的密度比活躍基因所在的區(qū)域。任何其他成像技術(shù)都無法做到這一點。“ 她說，二維圖像會將細胞核顯示為“平坦，混亂的混亂”。

最新研究的一個目的是獲得對嗅覺基因特異性小鼠基因表達的新見解。小鼠有大約1,500個與嗅覺有關(guān)的基因。每個嗅覺神經(jīng)細胞僅表達這些嗅覺基因中的一個，以產(chǎn)生識別相關(guān)氣味的受體。小鼠鼻腔中的許多受體使其能夠檢測到各種各樣的氣味。

“我們正試圖了解染色質(zhì)的重組如何影響基因表達，”Larabell說。“沒有人能夠在人類層面上研究這個問題。” 這項研究有望為與基因表達相關(guān)的疾病和障礙提供新的見解。該研究的結(jié)果已經(jīng)被納入細胞發(fā)育模型中。

阿爾茨海默病的前兆之一，即攻擊大腦的神經(jīng)細胞，是一種嗅覺喪失，所以理解這種與嗅覺神經(jīng)細胞的聯(lián)系也許可以作為一種診斷工具，并可能解開對退行性疾病的更深層次理解。

最新研究采用了一種稱為軟X射線斷層掃描的顯微鏡技術(shù)，在三個不同的發(fā)育階段記錄了一小組數(shù)十個冷凍嗅覺神經(jīng)細胞的一系列圖像。這項技術(shù)是伯克利實驗室ALS獨有的技術(shù)，可以捕捉到數(shù)十納米或數(shù)十億分之一米的細節(jié)。研究人員在視覺上區(qū)分了高度壓實的異染色質(zhì)區(qū)域和其他染色質(zhì)類型。

隨著成像技術(shù)的成功，Larabell表示可以根據(jù)不同發(fā)育階段分類的大量細胞核圖像進行統(tǒng)計分析。與其他類型的成像技術(shù)相結(jié)合，研究人員希望在即將開展的工作中分離出單個基因選擇過程。

“這項工作突出了多學科研究的力量，”NCXT的副主任，負責X射線顯微鏡設(shè)計和構(gòu)建的物理學家Mark Le Gros說。本研究的第一作者Le Gros補充說：“這是一個需要將分子生物學家和細胞生物學家與物理學家和計算機科學家結(jié)合起來的工作實例。”