Связь размера ядра с размером клетки известна более века, но её механизм оставался неясным. Соседние работы в архиве исследуют, как моторы клетки задают размер капель, как кривизна диктует размер в небесной механике клеток, как размер и сжатие запускают асимметричное деление, а также как форма ядра меняет его размер. Настоящая работа стоит на отшибе: она напрямую проверяет гипотезу осмотического равновесия, в то время как соседи фокусируются на механических силах и геометрии.
В дрожжах S. cerevisiae индуцировали высокий уровень экспрессии флуоресцентного белка 3xFP либо с сигналом ядерной локализации (3xFP-NLS), либо с сигналом ядерного экспорта (3xFP-NES). Через 6 часов измеряли объёмы клетки и ядра по микроскопии. Для разделения эффектов исключённого объёма и осмотического давления варьировали размер цитоплазматических макромолекул в экстракте яиц Xenopus при постоянной массе белка. Дополнительно использовали оптогенетический экспорт белка из ядра в клетках HeLa.
Экспрессия 3xFP-NLS увеличила объём ядра в 7.7 раза и повысила N/C ratio с 6.3% до 18.8%. Экспрессия 3xFP-NES снизила N/C ratio с 5.3% до 3.2% и вызвала деформацию ядра. В экстракте яиц замена крупных комплексов на BSA той же массы уменьшила размер ядер, что подтвердило роль числа частиц, а не их массы. Модель оценила число осмотически активных коллоидов в клетке примерно в 7.2–20.4 миллиона, что близко к протеомным данным. Изменение N/C ratio меняло плотность сухой массы ядра и цитоплазмы, а также вызывало перераспределение РНК-полимеразы II: при увеличении ядра активировались слабо экспрессируемые гены (включая субтеломерные и ретротранспозоны), а при сжатии — усиливалась экспрессия высокоактивных генов. Ядерное сжатие в увеличенных клетках обращало вспять транскриптомные изменения.
Работа впервые напрямую показывает, что осмотическое давление белков достаточно для установления N/C ratio, и объясняет универсальную связь размера ядра с размером клетки. В отличие от соседних исследований, которые рассматривают механические силы или геометрию, здесь количественно оценён вклад именно коллоидно-осмотического давления, а также продемонстрировано, что изменения размера ядра сами по себе вызывают перестройку транскриптома, сходную с наблюдаемой при клеточном старении.
Тема может развиваться в сторону изучения того, как изменения осмотического давления и фазового разделения хроматина регулируют доступность генов в норме и при патологии. Возможна проверка роли ядерного размера в дифференцировке стволовых клеток и в процессах старения.
Результаты повлияют на клеточную биологию, биофизику ядра, исследования старения и рака, а также на понимание регуляции транскрипции через физические параметры клетки.
Следующие шаги включают определение того, как именно осмотическое давление влияет на фазовое разделение хроматина и доступность промоторов, а также проверку консервативности механизма в клетках млекопитающих in vivo.
Работа связывает проблему контроля размера ядра с давними вопросами о механизмах сайленсинга генов, активации ретротранспозонов при старении и координации роста клетки с делением. Она предлагает физическую основу для понимания того, как изменения ядерной архитектуры при старении и дифференцировке могут напрямую влиять на экспрессию генов.
Концентрация осмотически активных макромолекул в клетке составляет всего около 0.24–0.68 мМ, что в сотни раз ниже концентрации малых молекул, но этого достаточно, чтобы определять размер ядра.
Работа опубликована не на arXiv. Здесь её страница, PDF и формализация: проверить можно самим, а не только прочитать наш разбор.