东京大学 东京大学的研究人员已经证实，拥挤细胞核蛋白(CRWN1-3)支持植物细胞核的椭圆形，并且在调节应对环境压力的重要基因表达方面也有作用
紫色显示细胞壁，绿色显示未成熟叶(顶部，子叶表皮)、根的成熟区域(中部，差异区)和根的活跃生长末端(底部，分生区)中的CRWN1-3
信用:坂本由纪，抄送，首次发表在《自然通讯》
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的基因活性
这一发现揭示了关于基因组调控的基础知识，并指出未来有可能同时操纵许多基因表达的方法
开启或关闭基因表达所需的长股脱氧核糖核酸和蛋白质机制被包含在内，漂浮在细胞核内
细胞核本质上是一个由柔性双膜包膜组成的袋子，由一个叫做核膜的内部精细网状蛋白质框架支撑
“脱氧核糖核酸不会在细胞核内漫无目的地漂移
我们期望在核膜周围有非随机的基因空间定位，”松永幸弘教授说，他领导了东京大学前沿科学研究生院的研究项目，最近发表在《自然通讯》上
基因调控通常是在阅读DNA序列的一维水平上研究的
通过改变脱氧核糖核酸链的形状，在三维空间中存在额外的基因调控层
例子包括表观遗传密码，它规定了将DNA链缠绕得有多紧，以及“接吻基因”现象，即DNA链的遥远片段折叠在一起，改变相互接触的基因的活性
这些新结果为基因调控的另一种三维方法提供了证据，这种方法不仅涉及基因组的结构，还涉及其容器细胞核的结构
这三个植物细胞核的图像显示了组成核膜的网状蛋白质网络，核膜从内部支持细胞核的形状
东京大学的研究人员已经证实，拥挤细胞核蛋白(CRWN1-3)支持植物细胞核的椭圆形，并且在基因调控中也有作用
这些图像是用受激发射损耗(STED)显微术产生的，这是一种超分辨率技术
比例尺= 5微米(顶部)和1微米(底部)
信用:坂本由纪，抄送，首次发表在《自然通讯》
科学界早就知道，细胞核的形状和大小在细胞的一生中会剧烈波动，这些变化甚至可以作为“内部时钟”来计时，以确定细胞的年龄
然而，这些发现是利用动物细胞获得的
植物不拥有任何与动物核膜相关的基因
松永说:“教科书中通常有一些关于动物叶片的句子，但是对于植物叶片却只字未提。”
研究小组的一些成员在2013年的前期工作中发现了一组被称为拥挤核(CRWN)的四种蛋白质，它们是植物核膜最有可能的成分
为了证实叶片中存在CRWN蛋白，研究人员首先在蛋白上贴上荧光标签，并从幼小的地中海水芹植物的根细胞中分离出细胞核，这是研究实验室常用的路边杂草
然后他们在超高分辨率显微图像中测量蛋白质的位置
这些极度放大的图像显示了由细胞核外壳周围的CRWN蛋白形成的网状图案
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的基因活性
经过基因改造的植物可以抑制负责核膜的四个基因中的两个(crwn1/4和crwn2/3)，可以在低铜条件下存活(左)，但与健康植物相比，在高铜条件下(右)要小得多且弱得多
信用:坂本由纪，抄送，首次发表在《自然通讯》
健康的植物细胞有一个椭圆形的细胞核，看起来像细胞中心的一个大鸡蛋
经过基因改造而缺乏CRWN蛋白的植物细胞核比正常情况下更小更圆，这可能会为内部的脱氧核糖核酸创造一个更拥挤的环境
研究人员随后对转基因植物进行筛选，看看当crwn基因受到抑制时，是否有其他基因具有不同的活性水平
已知与铜反应有关的多个基因活性较低，这表明核膜与铜耐受性有关
即使在正常土壤中，缺乏CRWN蛋白的植物也比健康植物长得短
在铜含量高的土壤中种植的具有非活性crwn基因的地中海水芹长得更小，外观明显更弱，这进一步证明了核膜在植物对环境胁迫的反应中起作用
研究人员还观察了正常和高铜水平细胞核内铜耐受基因的物理位置
在高铜条件下的健康植物中，耐铜基因聚集在一起，甚至向细胞核的外围移动
在crwn基因不活跃的植物中，耐铜基因似乎在细胞核周围扩散和漂移
“如果植物细胞核有不同的区域来进行脱氧核糖核酸的活性转录，那么这些区域很可能就在核膜附近
这一点很重要也很有趣，因为它与动物细胞相反，我们知道动物细胞的细胞核中央有活动区，而外围是不活动的，”松永说
大多数增加或减少基因活性的基因编辑技术直接在一维水平上改变单个基因的DNA序列
了解核膜是如何影响基因表达的，可以揭示未来通过重组基因组和核膜来同时改变许多基因活性的方法
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