自然萬物都遵循著一定的規(guī)律，而物理規(guī)律是宇宙的基礎(chǔ)。對于自然生物而言，也是一樣的，從飛鳥鳴蟬到游魚走獸，從光合作用到有氧呼吸，歸根結(jié)底，一切都受物理定律的支配，包括基因調(diào)控。

科學(xué)研究的魅力在于打破常規(guī)，進入21世紀，科學(xué)技術(shù)的革新使得人類得以觀察細胞內(nèi)更微觀的結(jié)構(gòu)，而這些新的觀察結(jié)果也不斷推翻了之前的認知。例如，2018年12月13日，哈佛大學(xué) Adam Cohen 、師征等人在 Cell 雜志發(fā)表題為：Cell Membranes Resist Flow（細胞膜抗流動）的研究論文【1】。

該研究認為細胞膜實際上更接近類似果凍的半固體，對已編入高中、大學(xué)課本的“流動鑲嵌模型”和“脂筏模型”發(fā)起挑戰(zhàn)，改寫了關(guān)于細胞膜流體性質(zhì)及其對張力的反應(yīng)的傳統(tǒng)理論。

無獨有偶，近日，加拿大阿爾伯塔大學(xué)和美國科羅拉多州立大學(xué)的研究人員同樣在 Cell 雜志上發(fā)表了一篇題為：Condensed Chromatin Behaves like a Solid on the Mesoscale In Vitro and in Living Cells 的顛覆性研究論文【2】。

這篇文章指出，凝聚的染色質(zhì)以固體狀態(tài)存在，其性質(zhì)可以抵抗外力，并形成彈性凝膠，為染色質(zhì)結(jié)合蛋白的液-液相分離提供支架。由此看來，把染色質(zhì)看作一種凝膠，可以讓我們更準確地理解基因組是如何編碼和解碼的。

染色體是遺傳物質(zhì)的主要結(jié)構(gòu)，染色體由染色質(zhì)組成，而染色質(zhì)又由組蛋白和DNA組成。不僅如此，染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)對于真核基因組的時空控制十分重要——支持基因表達和染色體DNA的復(fù)制，且與癌癥的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。

通常而言，我們認為染色質(zhì)處于一種液態(tài)狀態(tài)，調(diào)節(jié)蛋白可能會在細胞核中漂移游動，直至與目標DNA相遇，除非DNA附近的分子或大分子物質(zhì)構(gòu)成障礙。但也有研究表明，細胞核中的物質(zhì)流動性會比之前認為的更小，并且在超分子水平上表現(xiàn)得更有組織性，而這要歸因于與物質(zhì)狀態(tài)相關(guān)的物理定律。

在此項研究中，研究團隊檢測了凝聚染色質(zhì)在體外和體內(nèi)的物理狀態(tài)。研究結(jié)果表明，核小體陣列在各種溶液條件下的自締合產(chǎn)生超分子凝聚，其中染色質(zhì)呈現(xiàn)出物理約束和固體狀。

染色質(zhì)凝膠在體外表現(xiàn)出固相行為

與此同時，通過測量活細胞中的DNA流動性，研究人員發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)濃縮在體內(nèi)也表現(xiàn)出固體狀的行為。然而，典型的異染色質(zhì)蛋白卻表現(xiàn)出液體樣的行為，并在固體染色質(zhì)支架周圍合并。

更重要的是，即使在染色質(zhì)纖維之間產(chǎn)生有限的相互作用的條件下，常染色質(zhì)和異染色質(zhì)也表現(xiàn)出固狀行為。

活細胞中異染色質(zhì)和常染色質(zhì)的固相行為

論文的第一作者Hilmar Strickfaden博士表示：“雖然有證據(jù)表明異染色質(zhì)存在液體隔間，但我們發(fā)現(xiàn)，染色質(zhì)本身并不是處于液體狀態(tài)，因此，我們得出結(jié)論，染色質(zhì)是一種固體狀支架，可以支持液體狀腔室的組裝，這些腔室富含滲透到纖維基質(zhì)中的特定效應(yīng)蛋白�！�

得一提的是，近期的一項研究表明，癌細胞中染色質(zhì)的變形能力是允許它們擠過狹小空間實現(xiàn)轉(zhuǎn)移擴散的重要決定因素�；�于這一發(fā)現(xiàn)，如果事實證明，染色質(zhì)凝膠可以變得不那么牢固，就可以更好地解釋這一現(xiàn)象。

在癌細胞中，如果組蛋白部分發(fā)生某些化學(xué)修飾，染色質(zhì)就可能變得不那么粘，且當這一過程與染色質(zhì)凝膠狀態(tài)的改變同時發(fā)生時，那將大大降低了染色質(zhì)凝膠的強度，使其更容易變形，并使癌細胞能夠在全身擴散。

由此看來，確定染色質(zhì)凝膠狀態(tài)是如何被調(diào)節(jié)的，并尋找或開發(fā)可以維持染色質(zhì)凝膠固體狀態(tài)的藥物，就可以開辟一個全新的、防止癌細胞轉(zhuǎn)移的治療途徑。

一個解釋染色質(zhì)和染色質(zhì)室的物理特性的模型

論文的第一作者Hilmar Strickfaden博士表示，他相信，染色質(zhì)凝膠狀狀態(tài)的發(fā)現(xiàn)將為未來的研究提供指導(dǎo)原則，這使得人類可以更好地理解染色質(zhì)的物質(zhì)屬性如何塑造細胞核的功能，以確保細胞和機體的健康！

不僅如此，該研究團隊還計劃驗證另一個被廣泛認可的假設(shè)的正確性，即分子的物理大小決定了它們訪問DNA的能力。目前，初步的研究結(jié)果表明，這也可能是不正確的——染色質(zhì)凝膠的性質(zhì)和圍繞它的液體微環(huán)境的變化可能會顛覆這一認知！