几十年来，细胞核一直是生物学中的一个黑匣子——科学家对其结构或运作方式知之甚少。但在一定程度上得益于新的可视化技术，生物学家最近开始实时探测细胞核的结构。他们发现，这种结构似乎会随着年龄增长、生病或需求变化而发生改变。事实上，核成分（染色体、RNA、蛋白质复合物和其他小体）的结构可能与成分本身一样具有生物学重要性。
细胞核被精心组织起来并不令人惊讶。人类基因组的 32 亿个 DNA 碱基对必须压缩 40 万倍才能容纳在微小的空间内——然而基因也必须在那里相互作用，并与将它们转录成蛋白质的机制相互作用。历史上，核结构一直难以研究，因为科学家不得不依赖电子显微镜或抗体染色，这些方法只能显示细胞成分在单一时间点的状态。然而，在 20 世纪 90 年代，生物学家开始使用绿色荧光蛋白来实时观察活细胞中的核成分，就像看电影一样。冷泉港实验室的细胞生物学家 David L. Spector 说：“一张图片胜过千言万语，我总是喜欢说一部电影胜过百万言语。”
生物学家首先注意到的事情之一是，基因根据其活性位于细胞核的不同部位。含有沉默基因的染色体区域定位于外周的浓缩 DNA 区域，而活性基因则留在更宽敞的核中心，这可能是因为在那里它们可以更容易地共享转录资源。但美国国家癌症研究所的细胞生物学家 Tom Misteli 指出，“就像生物学中的大多数事物一样，人们已经发现了例外。”有时活性基因位于外周，反之亦然。
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染色体彼此之间的相对位置也经过精心安排。小鼠嗅觉细胞包含 1,300 种嗅觉受体基因，但每个细胞中只有一个基因被激活。在 2006 年的一篇论文中，研究人员使用荧光标签表明，只有当受体基因与 14 号染色体的特定部分发生物理接触时，该基因才会被表达。Misteli 说，其理念是“这两条染色体在三维空间中走到一起，它们‘亲吻’，这就是你如何获得基因活动调控的”。染色体的“亲吻”似乎也在决定女性细胞中哪个 X 染色体被关闭方面发挥作用，因为通常只有一个副本是活跃的。
核结构的改变会以显著的方式影响细胞功能。今年四月，慕尼黑路德维希-马克西米利安大学的生物学家托马斯·克雷默和鲍里斯·约夫注意到，夜行性小鼠的视网膜杆状细胞核的结构是倒置的——浓缩的 DNA 位于中心，而不太浓缩的区域位于外周。他们不知道为什么，但最终“产生了令人难以置信的想法，认为这可能与视觉有关，”约夫说。研究人员比较了 38 个物种的视网膜核，发现夜行性和晨昏性物种（在黄昏或黎明活跃的动物）的视网膜核具有倒置结构，而昼行性物种则具有更传统的布局。约夫说，倒置结构似乎可以最大限度地减少光散射，这使它们在黑暗中看得更清楚，但原因尚不清楚。
衰老和疾病也与核结构的变化有关。通常，随着细胞老化，核外周的浓缩 DNA 存储开始向内迁移。在 2008 年《细胞生物学杂志》上的一项研究中，Misteli 及其同事确定了四个与癌症相关的基因，当乳腺细胞癌变时，这些基因的位置会发生变化。结构也会影响风险；当染色体彼此靠得太近时，会导致癌症的染色体易位发生得更频繁。奇怪的是，X 染色体在癫痫发作后会更靠近中心。
没有人知道这些核结构的变化是引发衰老和疾病，还是由它们引起的，或者两者兼而有之。无论如何，Misteli 说，很明显“如果你破坏[核]结构，你可能会患病”。他补充说，有一天，仅通过查看核快照就可能诊断出疾病和与年龄相关的问题。
也许最大的未解之谜是细胞核最初是如何组织的。分子支架是否以确定性的方式束缚核成分，还是基因组活动以概率性的方式影响定位？证据支持这两种理论，Spector 认为 RNA 可能发挥重要作用。今年三月，他和他的同事们鉴定出一种 RNA，它有助于构建称为核斑点的核区室。毫无疑问，控制核组织的机制将被证明是多样且复杂的。正如 Spector 所说：“生物学中的事物往往不是非黑即白的。”
注意：本文最初印刷时的标题是“核结构”。