標題：RNA promotes the formation of spatial compartments in the nucleus
作者：Sofia A。 Quinodoz， Joanna W。 Jachowicz， Prashant Bhat， Noah Ollikainen， Abhik K。 Banerjee， Isabel N。 Goronzy， Mario R。 Blanco， Peter Chovanec， Amy Chow， Yolanda Markaki， Jasmine Thai， Kathrin Plath， Mitchell Guttman
時間：2021/11/04
摘要：RNA， DNA， and protein molecules are highly organized within three-dimensional （3D） structures in the nucleus。 Although RNA has been proposed to play a role in nuclear organization， exploring this has been challenging because existing methods cannot measure higher-order RNA and DNA contacts within 3D structures。 To address this， we developed RNA & DNA SPRITE （RD-SPRITE） to comprehensively map the spatial organization of RNA and DNA。 These maps reveal higher-order RNA-chromatin structures associated with three major classes of nuclear function： RNA processing， heterochromatin assembly， and gene regulation。 These data demonstrate that hundreds of ncRNAs form high-concentration territories throughout the nucleus， that specific RNAs are required to recruit various regulators into these territories， and that these RNAs can shape long-range DNA contacts， heterochromatin assembly， and gene expression。 These results demonstrate a mechanism where RNAs form high-concentration territories， bind to diffusible regulators， and guide them into compartments to regulate essential nuclear functions。
在對人類基因組進行解讀後，科學家們曾大失所望。
自詡為“萬物之靈”的我們，基因組中居然只有區區兩萬多條基因，沒比不起眼的果蠅多多少。
在編碼DNA的序列之外，更有約98%的基因組意義不明，看似沒有任何作用。為此，也有人說我們的基因組裡都是“垃圾DNA”。
然而隨著生命科學的不斷髮展，人們也逐漸意識到自己曾經的目光短淺。即便基因組中的不少序列並不編碼蛋白質，但相應產生的RNA卻有著自己不可或缺的功能。先前，已經有很多研究指出非編碼RNA參與了大量基因的調控，控制基因的開關，締造了各式各樣的細胞。
而頂尖學術期刊《細胞》雜誌最近發表的一篇封面論文，則揭示了RNA的另一項重要功能——在細胞核內劃分不同空間，影響DNA之間的接觸，異染色質的組裝，以及基因的調控。
Image credit： Inna-Marie Strazhnik/Caltech
這項研究來自加州理工學院的Mitchell Guttman教授課題組。其官方新聞稿對該研究有個很形象的比喻：
假設人類的細胞核是一個碩大無比的圖書館，兩萬多條基因就類似於兩萬多本書。
就像在圖書館中，主題接近的書要放在一起那樣，在細胞核裡，不同的基因也需要在空間上進行整理。
但這並不是一件容易的事。如果將人類一個細胞內的DNA首尾相接，拉成一條直線，可以長達數米。而細胞核內的空間，卻只有在顯微鏡下才能看清。
這些基因要如何在狹小的空間裡整理到位呢？又比如，當細胞需要調控特定基因的表達，細胞內的元件又要怎麼配合到位，找到合適的基因呢？
答案可能就在RNA上。在這項研究中，科學家們開發了一種特殊的工具，能看清細胞核內的RNA。
具體來說，這種工具能給不同位置的RNA打上不同的標籤。事後，只要回溯這些標籤，就知道RNA原本在細胞內處於什麼位置。
▲本研究的圖示（圖片來源：參考資料［1］）
而實驗結果令人驚訝。利用這一工具，
科學家們發現細胞核的空間裡，存在由數百條非編碼RNA搭建出的一個個“人工島”，將細胞核劃分成不同的區域。這些特殊的RNA還會招募其它關鍵調節因子，將它們聚集到一個精準的範圍內。
回到前面的比方，這些RNA就好像是圖書館裡的書架，將細胞核裡的資訊整理到位。
“這個工具改變了我們看RNA世界的方式，” Guttman教授說道，“這就像開發一種新的顯微鏡那樣，你能夠看到原來看不到的東西。發現RNA與空間組織之間的關係，只是冰山一角。未來我們將找到更多資料。”
▲細胞核內充斥著由非編碼RNA組成的“人工島”（圖片來源：參考資料［2］；Credit： Courtesy of Inna-Marie Strazhnik）
研究人員們指出，理解遺傳物質在空間上如何組合，是理解生命的關鍵一步。相應的，如果細胞核中的空間組合出現異常，就可能會引起多種疾病。
未來，他們也計劃對比健康細胞和疾病細胞的細胞核差異，瞭解它們在空間組成上是否具有不同，從而理解細胞核內的空間結構與基因表達之間的關係。
參考資料：
［1］ Sofia A。 Quinodoz et al。， （2021）， RNA promotes the formation of spatial compartments in the nucleus， Cell， DOI：https：//doi。org/10。1016/j。cell。2021。10。014
［2］ The Vast Little Library Inside of Your Cells， Retrieved November 18， 2021， from https：//www。caltech。edu/about/news/the-vast-little-library-inside-of-your-cells