真核生物中，包含遗传信息的DNA会在组蛋白的帮助下层层折叠，最终成为染色体。但染色质的装配过程中，仍有不少细节并没有得到很好的阐述。近日，中国科学院生物物理所的研究员们借助先进的冷冻电镜和染色体体外重建技术，率先以11Å（1Å=0.1nm）的高分辨率获得了染色质装配过程中的一个重要结构——30nm染色质的高清晰三维结构。《科学》杂志在4月25日刊登了这一激动人心的成果[1]。
在多年钻研冷冻电镜技术的朱平研究员和长期研究30nm染色质表观遗传调控的李国红研究员协力带领下，生物物理所的研究者最终揭开了它三维结构的神秘面纱，一扫困扰生物学家30余年的阴云。在研究者“看”到的染色质结构中，DNA上每两个相邻的核小体通过中间连接的DNA“相对而望”，顺着左手螺旋的方向让DNA丝沿“Z”型路线往上堆叠，形成直径30nm的染色质丝——相邻核小体间并没有H1组蛋白的相互作用，但H1组蛋白在整个结构的堆叠模式上起了很大的作用。这个结构有力地印证了之前许多相关的实验现象，与核小体的晶体结构也有很高的一致性。不仅如此，这份3D“照片”推翻了之前科学界推测的模型：在这之前，科学家们普遍假设这段结构是6个核小体围成的“玫瑰花结”往复堆叠；而这项研究证实，真实结构是每四个核小体为单位的左手螺旋。
研究小组构建出的30nm染色质的3D结构。图中为3个四联核小体。图片来源：Song et al., 2014, Science 344:376-380.
为什么这段结构如此重要？这得从DNA包装成染色体的故事说起。与原核生物相比，真核生物有着多得多的DNA——以我们人类为例，若将一个细胞中的46条染色体上的DNA全都抻直了，连起来能有两米，而把全身万亿个细胞的加起来则能够在地球和太阳之间来回300趟[2]。这么长的DNA要想不仅挤得下，还能随细胞所欲地表达不同位置的基因，必须得规律整齐地包装起来。
过去普遍认为的DNA包装过程示意图。而李国红等的研究表明30nm染色质丝的结构并不如图中所示，而是四联核小体堆成的左手螺旋。图片来源：Annunziato, 2008, Nature Education, 1(1), 10-9
染色质最小的包装单元称作核小体，是一段180个碱基对左右的DNA缠绕在直径10nm的组蛋白复合体上形成的结构。然而，这也只不过压缩了5倍。接下来，这一串核小体会被进一步堆砌成朱平和同事们所关注的核心结构——直径30nm的染色质。这时它们还是常染色质，还能够活跃地发挥作用。当需要进一步压缩自己时，这段染色质会进一步盘曲成300nm的染色质丝，然后一级级盘曲，缩短变粗，直至最终成为直径1400nm的染色体——相比原先压缩了几乎上万倍。
作为承上启下的包装结构，30nm的染色质不仅与染色体组装相关，更能通过自己灵活的身段影响基因的沉默和激活——细胞可以通过修饰组蛋白，像“批注”一样告诉其他“工人”怎样使用这本“说明书”。有了基因的区别化发挥功能，才有同一个个体中不同组织细胞的分化。了解常染色质，即30nm染色质，的分子特性，对细胞增殖、发育、分化等重要基础生命科学问题十分重要，更别提生物医药研究了。然而，由于技术上的限制，科学家们一直缺少它的高清三维结构。这样一来，染色质在装配过程中的高级结构与调控机制不够清晰，一些分子机制研究和靶向药物研究也因此受到阻力。
在一窥30nm染色质高清结构的任务中，生物物理所使用的冷冻电镜单颗粒三维重构技术功不可没——普通电镜的分辨率只能达到25至30Å，而这项研究中的电镜分辨率达到了11 Å。除开硬件设施，染色质的提取和体外重组也是个难题——染色体很难直接从组织细胞中提取到，必须得让DNA和组蛋白体外重新组装。研究小组异源表达了非洲爪蟾（Xenopus laevis）的组蛋白，并摸索出了合适的条件将这些未经修饰的组蛋白与事先准备好的DNA进行组合。样品在固定后放至电镜下观察，研究人员们后期再根据许多张不同角度的2D图像构建出3D结构。
电镜下看到的30nm染色质颗粒。比例尺为50nm。图片来源：Song et al., 2014, Science 344:376-380.
30nm染色质左手双螺旋结构模型。比例尺为11nm。图片来源：Song et al., 2014, Science 344:376-380.
论文的审稿人评论称，30nm染色质结构是“迄今解析的最有挑战性的结构之一”。这项成果有助于科学家更好地理解染色质的装配过程，为今后的表观遗传和生物医药的研究铺平了道路。中国科研人员的不懈努力，为世界生命科学研究的发展做出了杰出贡献。
从DNA到染色体。视频来源：中科院生物物理所
参考文献：
- 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.
文章题图：中国科学院生物物理所
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