细胞核内各组分的位置与其生物学功能的行使息息相关

撰文：MELINDA WENNER

数十年来，细胞核依旧是生物学上的一个黑匣子。科学家对它的结构及运行方式知之甚少。不过在新型可视化技术的帮助下，最近生物学家开始了实时探索细胞核结构的征程。他们发现，随着人们的年龄、健康状况或需求发生改变，细胞核的结构亦随之而变。事实上，核内组分——染色体、RNA、蛋白复合体和其他一些小体与它们的结构相比，在生物学上同样重要。

这一点儿不令人吃惊，因为细胞核是被精细地组装在一起的。人类基因组中32亿对脱氧核糖核酸被压缩了40万倍以适应细胞核内逼仄的空间。然而基因就在这里彼此相互作用，并在一定机制下被翻译为蛋白质。细胞核的结构在以往就是研究的难点，因为科学家不得不借助于电子显微镜或抗体染色剂。这些方法得到的仅仅是某个时刻的静态图像。然而，在上世纪90年代，生物学家开始利用绿色荧光蛋白在活体细胞内实时观察核内组分，就像在放电影。“百闻不如一见，我一直认为，一场这样的电影胜过成千上万描述性的词句。”美国冷泉港实验室的细胞生物学家David L. Spector如是说道。

借助这种方法，科学家的头几个发现之一是不同活性的基因存在于细胞核的不同部位。染色体上的DNA压缩区域包含一些沉默基因（silent gene），一般位于外围。而有活性的基因则呆在宽敞的细胞核中央，或许在这里基因可以更加便利地共享转录时所需的资源。但是“生物学现象大都并不绝对，人们发现了例外，”美国国家癌症研究所的细胞生物学家Tom Misteli提到，有时候活性基因或许也会呆在外围，而沉默基因则占据了中央。

染色体间的相对位置也定位得非常精细。老鼠的嗅觉细胞中包含了1300个嗅觉受体亚型，但是每个细胞中仅有一个被激活。在2006年发表的一篇文章中，研究者利用荧光标签（fluorescent tag）展示了仅当一个受体与14号染色体的特定部位发生直接接触时，它才会被激活。Misteli说道：“在三维空间中，两个彼此中意的染色体走到一起来，深情一吻后，基因的表达就得到了调控。”染色体之吻在性别决定上也扮演了重要角色。在拥有两个X染色体拷贝的女性细胞中一般仅有一个保留有活性，另一个就是藉由染色体之吻而被关闭的。

核结构的改变会极大地影响到细胞功能。2009年4月德国慕尼黑Ludwig-Maximilians 大学的生物学家Thomas Cremer和Boris Joffe注意到，夜间活动的老鼠的视网膜圆柱细胞（retina rod）的核结构就迥然相反——被压缩的DNA位于核中央，而压缩程度较弱的部分则位于外围。Joffe表示，他们对这一现象也无法解释，最终得出的难以置信的结论是这或许与视觉有关。研究者比较了38个物种的视网膜细胞的细胞核，从中发现。黄昏期间活跃的动物与早晨活跃的动物的细胞核结构恰好相反。白昼期间活动的动物的核结构更加大众化。Joffe认为，反式核结构似乎可以让光的散射最小化，有助于动物在黑暗环境中看得更清楚。不过个中原因尚不明了。

衰老与疾病也与核结构的改变相关。一般而言，细胞变老时，存储于细胞核边缘地带的压缩DNA开始逐渐向中央迁移。2008年，Misteli与其同事在《细胞生物学杂志》上发表了一份研究报告。他们鉴定出四个癌症相关基因，当乳腺细胞具有恶性特征时，这些基因会改变其原有的位置。核结构还会影响到患病风险。当染色体彼此相互太过靠近时，有可能引发癌症的染色体易位（chromosomal translocation）现象发生的几率就会增加。异乎寻常的是，科学家发现癫痫症发作时，X染色体会更加靠近核中央。

核结构的改变与衰老及疾病二者哪个是原因，哪个是结果，或者互为因果，这一点现在尚不清楚。不过无论如何，“如果核结构一塌糊涂的话，疾病缠身是免不了的，”Misteli说。他补充道，或许有一天，可以通过审视细胞核的状况来诊断疾病以及衰老相关的问题。

在起初，细胞核是如何组装而成的，这仍旧是最大的一个未解之谜。是分子支架以确定的方式牵引着细胞核的组分，还是基因组活性以随机的方式影响着这些组分的定位情况呢？目前两种理论都有证据支持。Spector断定，RNA或许在其中扮演了重要角色。2008年3月，他和同事一起鉴定出了一种名为paraspeckle（一种细胞核内RNA和蛋白的复合体）的RNA，它有助于将细胞核的各个组分组装起来。无可置疑的是，控制细胞核组装的机制将是多变和复杂的。正如Spector描述的那样：“生物学领域的事情，并不像黑与白那样泾渭分明。”