幾十年來，細胞核一直是生物學中的一個黑匣子——科學家對其結構或運作方式知之甚少。但在一定程度上得益於新的視覺化技術，生物學家最近開始即時探測細胞核的結構。他們發現，這種結構似乎會隨著年齡增長、生病或需求變化而發生改變。事實上，核成分（染色體、RNA、蛋白質複合物和其他小體）的結構可能與成分本身一樣具有生物學重要性。
細胞核被精心組織起來並不令人驚訝。人類基因組的 32 億個 DNA 鹼基對必須壓縮 40 萬倍才能容納在微小的空間內——然而基因也必須在那裡相互作用，並與將它們轉錄成蛋白質的機制相互作用。歷史上，核結構一直難以研究，因為科學家不得不依賴電子顯微鏡或抗體染色，這些方法只能顯示細胞成分在單一時間點的狀態。然而，在 20 世紀 90 年代，生物學家開始使用綠色熒光蛋白來即時觀察活細胞中的核成分，就像看電影一樣。冷泉港實驗室的細胞生物學家 David L. Spector 說：“一張圖片勝過千言萬語，我總是喜歡說一部電影勝過百萬言語。”
生物學家首先注意到的事情之一是，基因根據其活性位於細胞核的不同部位。含有沉默基因的染色體區域定位於外周的濃縮 DNA 區域，而活性基因則留在更寬敞的核中心，這可能是因為在那裡它們可以更容易地共享轉錄資源。但美國國家癌症研究所的細胞生物學家 Tom Misteli 指出，“就像生物學中的大多數事物一樣，人們已經發現了例外。”有時活性基因位於外周，反之亦然。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保未來能夠繼續講述關於塑造我們當今世界的發現和思想的有影響力的故事。
染色體彼此之間的相對位置也經過精心安排。小鼠嗅覺細胞包含 1,300 種嗅覺受體基因，但每個細胞中只有一個基因被啟用。在 2006 年的一篇論文中，研究人員使用熒光標籤表明，只有當受體基因與 14 號染色體的特定部分發生物理接觸時，該基因才會被表達。Misteli 說，其理念是“這兩條染色體在三維空間中走到一起，它們‘親吻’，這就是你如何獲得基因活動調控的”。染色體的“親吻”似乎也在決定女性細胞中哪個 X 染色體被關閉方面發揮作用，因為通常只有一個副本是活躍的。
核結構的改變會以顯著的方式影響細胞功能。今年四月，慕尼黑路德維希-馬克西米利安大學的生物學家托馬斯·克雷默和鮑里斯·約夫注意到，夜行性小鼠的視網膜桿狀細胞核的結構是倒置的——濃縮的 DNA 位於中心，而不太濃縮的區域位於外周。他們不知道為什麼，但最終“產生了令人難以置信的想法，認為這可能與視覺有關，”約夫說。研究人員比較了 38 個物種的視網膜核，發現夜行性和晨昏性物種（在黃昏或黎明活躍的動物）的視網膜核具有倒置結構，而晝行性物種則具有更傳統的佈局。約夫說，倒置結構似乎可以最大限度地減少光散射，這使它們在黑暗中看得更清楚，但原因尚不清楚。
衰老和疾病也與核結構的變化有關。通常，隨著細胞老化，核外周的濃縮 DNA 儲存開始向內遷移。在 2008 年《細胞生物學雜誌》上的一項研究中，Misteli 及其同事確定了四個與癌症相關的基因，當乳腺細胞癌變時，這些基因的位置會發生變化。結構也會影響風險；當染色體彼此靠得太近時，會導致癌症的染色體易位發生得更頻繁。奇怪的是，X 染色體在癲癇發作後會更靠近中心。
沒有人知道這些核結構的變化是引發衰老和疾病，還是由它們引起的，或者兩者兼而有之。無論如何，Misteli 說，很明顯“如果你破壞[核]結構，你可能會患病”。他補充說，有一天，僅透過檢視核快照就可能診斷出疾病和與年齡相關的問題。
也許最大的未解之謎是細胞核最初是如何組織的。分子支架是否以確定性的方式束縛核成分，還是基因組活動以機率性的方式影響定位？證據支援這兩種理論，Spector 認為 RNA 可能發揮重要作用。今年三月，他和他的同事們鑑定出一種 RNA，它有助於構建稱為核斑點的核區室。毫無疑問，控制核組織的機制將被證明是多樣且複雜的。正如 Spector 所說：“生物學中的事物往往不是非黑即白的。”
注意：本文最初印刷時的標題是“核結構”。