Paradoxian 昨天18:00
左：李國紅研究員；右：朱平研究員
真核生物中，包含遺傳信息的DNA會(huì )在組蛋白的幫助下層層折疊，最終成為染色體。但染色質(zhì)的裝配過(guò)程中，仍有不少細節并沒(méi)有得到很好的闡述。近日，中國科學(xué)院生物物理所的研究員們借助先進(jìn)的冷凍電鏡和染色體體外重建技術(shù)，率先以11?（1?=0.1nm）的高分辨率獲得了染色質(zhì)裝配過(guò)程中的一個(gè)重要結構——30nm染色質(zhì)的高清晰三維結構?！犊茖W(xué)》雜志在4月24日刊登了這一激動(dòng)人心的成果[1]。
在多年鉆研冷凍電鏡技術(shù)的朱平研究員和長(cháng)期研究30nm染色質(zhì)表觀(guān)遺傳調控的李國紅研究員協(xié)力帶領(lǐng)下，生物物理所的研究者最終揭開(kāi)了它三維結構的神秘面紗，一掃困擾生物學(xué)家30余年的陰云。在研究者“看”到的染色質(zhì)結構中，DNA上每?jì)蓚€(gè)相鄰的核小體通過(guò)中間連接的DNA“相對而望”，順著(zhù)左手螺旋的方向讓DNA絲沿“Z”型路線(xiàn)往上堆疊，形成直徑30nm的染色質(zhì)絲——相鄰核小體間并沒(méi)有H1組蛋白的相互作用，但H1組蛋白在整個(gè)結構的堆疊模式上起了很大的作用。這個(gè)結構有力地印證了之前許多相關(guān)的實(shí)驗現象，與核小體的晶體結構也有很高的一致性。不僅如此，這份3D“照片”推翻了之前科學(xué)界推測的模型：在這之前，科學(xué)家們普遍假設這段結構是6個(gè)核小體圍成的“玫瑰花結”往復堆疊；而這項研究證實(shí)，真實(shí)結構是每四個(gè)核小體為單位的左手螺旋。
研究小組構建出的30nm染色質(zhì)的3D結構。圖中為3個(gè)四聯(lián)核小體。圖片來(lái)源：Song et al., 2014, Science 344:376-380.
為什么這段結構如此重要？這得從DNA包裝成染色體的故事說(shuō)起。與原核生物相比，真核生物有著(zhù)多得多的DNA——以我們人類(lèi)為例，若將一個(gè)細胞中的46條染色體上的DNA全都抻直了，連起來(lái)能有兩米，而把全身萬(wàn)億個(gè)細胞的加起來(lái)則能夠在地球和太陽(yáng)之間來(lái)回300趟[2]。這么長(cháng)的DNA要想不僅擠得下，還能隨細胞所欲地表達不同位置的基因，必須得規律整齊地包裝起來(lái)。
過(guò)去普遍認為的DNA包裝過(guò)程示意圖。而李國紅等的研究表明30nm染色質(zhì)絲的結構并不如圖中所示，而是四聯(lián)核小體堆成的左手螺旋。圖片來(lái)源：Annunziato, 2008, Nature Education, 1(1), 10-9
染色質(zhì)最小的包裝單元稱(chēng)作核小體，是一段180個(gè)堿基對左右的DNA纏繞在直徑10nm的組蛋白復合體上形成的結構。然而，這也只不過(guò)壓縮了5倍。接下來(lái)，這一串核小體會(huì )被進(jìn)一步堆砌成朱平和同事們所關(guān)注的核心結構——直徑30nm的染色質(zhì)。這時(shí)它們還是常染色質(zhì)，還能夠活躍地發(fā)揮作用。當需要進(jìn)一步壓縮自己時(shí)，這段染色質(zhì)會(huì )進(jìn)一步盤(pán)曲成300nm的染色質(zhì)絲，然后一級級盤(pán)曲，縮短變粗，直至最終成為直徑1400nm的染色體——相比原先壓縮了幾乎上萬(wàn)倍。
作為承上啟下的包裝結構，30nm的染色質(zhì)不僅與染色體組裝相關(guān)，更能通過(guò)自己靈活的身段影響基因的沉默和激活——細胞可以通過(guò)修飾組蛋白，像“批注”一樣告訴其他“工人”怎樣使用這本“說(shuō)明書(shū)”。有了基因的區別化發(fā)揮功能，才有同一個(gè)個(gè)體中不同組織細胞的分化。了解常染色質(zhì)，即30nm染色質(zhì)，的分子特性，對細胞增殖、發(fā)育、分化等重要基礎生命科學(xué)問(wèn)題十分重要，更別提生物醫藥研究了。然而，由于技術(shù)上的限制，科學(xué)家們一直缺少它的高清三維結構。這樣一來(lái)，染色質(zhì)在裝配過(guò)程中的高級結構與調控機制不夠清晰，一些分子機制研究和靶向藥物研究也因此受到阻力。
在一窺30nm染色質(zhì)高清結構的任務(wù)中，生物物理所使用的冷凍電鏡單顆粒三維重構技術(shù)功不可沒(méi)——普通電鏡的分辨率只能達到25至30?，而這項研究中的電鏡分辨率達到了11 ?。除開(kāi)硬件設施，染色質(zhì)的提取和體外重組也是個(gè)難題——染色體很難直接從組織細胞中提取到，必須得讓DNA和組蛋白體外重新組裝。研究小組異源表達了蟾蜍（Xenopus laevis）的組蛋白，并摸索出了合適的條件將這些未經(jīng)修飾的組蛋白與事先準備好的DNA進(jìn)行組合。樣品在固定后放至電鏡下觀(guān)察，研究人員們后期再根據許多張不同角度的2D圖像構建出3D結構。
電鏡下看到的30nm染色質(zhì)顆粒。比例尺為50nm。圖片來(lái)源：Song et al., 2014, Science 344:376-380.
30nm染色質(zhì)左手雙螺旋結構模型。比例尺為11nm。圖片來(lái)源：Song et al., 2014, Science 344:376-380.
論文的審稿人評論稱(chēng)，30nm染色質(zhì)結構是“迄今解析的最有挑戰性的結構之一”。這項成果有助于科學(xué)家更好地理解染色質(zhì)的裝配過(guò)程，為今后的表觀(guān)遺傳和生物醫藥的研究鋪平了道路。中國科研人員的不懈努力，為世界生命科學(xué)研究的發(fā)展做出了杰出貢獻。
從DNA到染色體。視頻來(lái)源：中科院生物物理所
參考文獻：
Song, F. et al. (2014). Cryo-EM Study of the Chromatin Fiber Reveals a Double Helix Twisted by Tetranucleosomal Units. Science, 344:376-380.
Annunziato, A. (2008). DNA packaging: Nucleosomes and chromatin. Nature Education, 1(1), 10-9.
文章題圖：中國科學(xué)院生物物理所
