细胞核的结构如何改变植物中的基因活性

给植物核发现其形状的基因也调节铜耐受性。

东京大学的研究人员已经确定了细胞核的结构如何改变植物中的基因活性。这一发现揭示了关于基因组调控的基本知识，并指出了未来的方法，用于同时潜在地操纵许多基因的表达。

东京大学的研究人员已经证实，拥挤的核蛋白质（CRWN1-3）支持植物细胞核的椭圆形状，并且在调节对应对环境压力的基因表达中也具有作用。紫色显示细胞壁和绿色显示在未成熟的叶片（顶部，子叶表皮）中的Crwn1-3，根（中间，差异区域）的成熟面积，并主动生长根（底部，融合区）。

含有在细胞核内漂浮在或关闭基因表达所需的长链和蛋白质机械。核基本上是由柔性双膜封套制成的麻袋，其由称为核椎板的内部的细网框架的内部细网框架支撑。

“DNA不会漫无目的地在核中漂移。我们预计核镶嵌周围的基因存在非谐波空间定位，“Sachihiro Matsunaga教授领导了来自东京大学的前沿科学研究生院的研究项目，最近出版了全新通讯。

通常在读取DNA序列的一维水平下研究基因调节。通过改变DNA链的形状，以3D存在额外的基因调节层。实例包括表观遗传编码，其规定了缠绕DNA链的紧紧终止和“亲接基因”的现象，其中DNA链的远距离折叠在一起并改变彼此接触的基因的活性。

这些新结果提供了另一种基因调节方法的证据，而不仅仅是基因组的结构，而是其容器的结构，核。

科学界长众所周知，核的形状和尺寸在细胞的寿命期间可以显着地波动，并且这些变化甚至可以定时为“内部时钟”以确定细胞的年龄。然而，这些发现已经使用动物细胞进行。植物不具备任何与对动物中核椎板负责的基因有关的任何基因。

“教科书通常有一些关于动物Lamina的句子，但对于植物Lamina而言，没有任何东西可以说”Matsunaga说。

研究团队的一些成员的事先工作2013年，鉴定了一组被称为拥挤的核（CRWN）的四组蛋白质是植物核薄层的最有可能的组成部分。

这些三种植物细胞核的图像显示了构成核薄片的蛋白质网络，其支持来自内部的核的形状。东京大学的研究人员已经证实，拥挤的核蛋白（CRWN1-3）支持植物细胞核的椭圆形，并且在基因调节中也具有作用。通过刺激发射耗尽（STED）显微镜，超分辨率技术产生这些图像。秤条= 5微米（顶部）和1微米（底部）。

为了确认薄层中Crwn蛋白的存在，研究人员首先将荧光标签连接到蛋白质中并从年轻的Thale Cress植物中分离出根细胞，该路线杂草常用于研究实验室。然后它们测量超高分辨率显微镜图像中的蛋白质的位置。

这些极其变焦的图像显示由核周围的CRWN蛋白形成的威基般的图案。

健康的植物细胞具有椭圆形核，看起来像个细胞中心的一个大鸡蛋。遗传改变植物缺乏Crwn蛋白质的核心比正常更小，圆形，可能为内部的DNA产生更拥挤的环境。

然后，研究人员筛选遗传改变的植物，以了解当抑制CRWN基因时是否存在不同的活性水平。已知涉及响应铜的多种基因较小，表明核薄片与铜耐受相连。

东京大学的研究人员已经确定了细胞核的结构如何改变植物中的基因活性。遗传修饰的植物抑制负责核薄层的四种基因（Crwn1 / 4和Crwn2 / 3）可以在低铜条件下存活（左），但与健康相比，高铜条件（右）在高铜条件下显着较小和较弱植物（WT）。

缺乏Crwn蛋白的植物即使在正常的土壤中也会比健康的植物短。具有高铜水平的土壤中种植的无活性Crwn基因的Thale Cress甚至具有显着弱的外观，进一步证明核薄片在植物对环境压力的反应中具有作用。

研究人员还可以在正常和高铜水平的核内可视化铜耐受基因的物理位置。在高铜状况的健康植物中，铜耐受基因聚集在一起并移动甚至更接近细胞核的周边。铜耐受基因似乎在具有无活性CRWN基因的植物中散布和漂移。

“如果植物细胞核具有DNA的有源转录的不同区域，那么这些地区可能会在核薄片附近。这是重要而有趣的，因为它与动物细胞相对，我们知道在核心中有活跃的区域，而周边是不活跃的，“松屯加说。

大多数基因编辑技术以增加或减少基因活性直接在改变磷酸盐基因的DNA序列的一维水平上工作。了解核椎板如何影响基因表达，可以通过重新抑制基因组和核椎板同时同时改变许多基因活性的未来方法。

参考：Yuki Sakamoto，Mayuko Sato，Yoshikatsu Sato，Akihito Harada，Takamasa Suzuki，Chieko GoTo，Kentaro Tamura，Kiminori Toyooka，Hiroshi Kimura，Yasuyuki Ohkawa，Ikuko Hara-Nishimura，伊科科省Hara-Nishimura，Shingo Takagi和Sachihiro Matsunaga，2020年11月24日，Nature Communications.doi：
10.1038 / s41467-020-19621-z