3-D成像技术绘制携带DNA的材料在细胞中心的迁移

科学家们已经描绘了当干细胞成熟为神经细胞时遗传物质的重组。详细的三维可视化显示细胞核中遗传物质的意外连接，并提供对细胞进化结构的新理解。这些独特的小鼠嗅觉细胞三维重建控制着嗅觉，是在能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)使用X射线成像工具获得的。这些结果可以帮助我们理解细胞核中含有染色质的含DNA物质的模式和重组是如何与细胞的特化功能相关联的，因为特定的基因被激活或沉默。

染色质被压缩形成染色体，染色体在细胞分裂过程中沿着生物体的遗传指纹传递给新形成的细胞。结果发表在本周的细胞报告特刊上，该报告重点介绍表观遗传学，这是一个研究领域，专注于影响基因表达的生物化学层，与DNA紧密结合，但不会改变遗传密码。

研究人员在伯克利实验室的高级光源(ALS)上使用强大的X射线显微镜捕捉成熟不同阶段的神经细胞样本的图像，因为它们变得更加专注于它们的功能 - 这个过程被称为“分化”。每个阶段的细胞使用X射线从几十个不同的角度成像。每组2-D图像用于计算细胞的3-D重建，详细描述细胞核中变化的染色质形成。

他们还能够以一种称为异染色质的染色质形式测量密集堆积，并且他们了解了特定蛋白质在控制异染色质的压实及其对细胞核的限制中的重要性。

“这是我们不必对细胞进行化学处理的细胞核的新方法，”国家X射线断层扫描中心(NCXT)主任Carolyn Larabell表示，这是伯克利实验室和加州大学圣地亚哥分校的联合项目。弗朗西斯科(UCSF)。“能够直接成像和量化细胞核的变化是非常重要的，多年来一直是细胞生物学家的愿望清单。”

她说，染色质对于化学污渍和其他常用于生物成像的化学添加剂非常敏感，以突出特定样品中的感兴趣区域。“到目前为止，它只能通过染色来间接地对细胞核进行成像，在这种情况下，研究人员必须对染色均匀分布的信念进行一次飞跃。”

伯克利实验室的一名教师科学家和加州大学旧金山分校的教授Larabell表示，之前认为染色质存在于一系列断开的岛屿中，尽管最新的研究显示染色质是如何划分为两个截然不同的“拥挤”区域，形成一个连续的整个核心的网络。

“我们真的很惊讶：没有岛屿，它们都是相连的，”她补充道，“我们可以看到染色质如何穿过细胞核以及分子如何穿过细胞核，我们发现异染色质的密度比活跃基因所在的区域。任何其他成像技术都无法做到这一点。“ 她说，二维图像会将细胞核显示为“平坦，混乱的混乱”。

最新研究的一个目的是获得对嗅觉基因特异性小鼠基因表达的新见解。小鼠有大约1,500个与嗅觉有关的基因。每个嗅觉神经细胞仅表达这些嗅觉基因中的一个，以产生识别相关气味的受体。小鼠鼻腔中的许多受体使其能够检测到各种各样的气味。

“我们正试图了解染色质的重组如何影响基因表达，”Larabell说。“没有人能够在人类层面上研究这个问题。” 这项研究有望为与基因表达相关的疾病和障碍提供新的见解。该研究的结果已经被纳入细胞发育模型中。

阿尔茨海默病的前兆之一，即攻击大脑的神经细胞，是一种嗅觉丧失，所以理解这种与嗅觉神经细胞的联系也许可以作为一种诊断工具，并可能解开对退行性疾病的更深层次理解。

最新研究采用了一种称为软X射线断层扫描的显微镜技术，在三个不同的发育阶段记录了一小组数十个冷冻嗅觉神经细胞的一系列图像。这项技术是伯克利实验室ALS独有的技术，可以捕捉到数十纳米或数十亿分之一米的细节。研究人员在视觉上区分了高度压实的异染色质区域和其他染色质类型。

随着成像技术的成功，Larabell表示可以根据不同发育阶段分类的大量细胞核图像进行统计分析。与其他类型的成像技术相结合，研究人员希望在即将开展的工作中分离出单个基因选择过程。

“这项工作突出了多学科研究的力量，”NCXT的副主任，负责X射线显微镜设计和构建的物理学家Mark Le Gros说。本研究的第一作者Le Gros补充说：“这是一个需要将分子生物学家和细胞生物学家与物理学家和计算机科学家结合起来的工作实例。”