说起DNA，大家都会想起那幅经典的黑白照片，沃森和克里克出神地望着他们所发现的DNA双螺旋结构模型，这项60多年前划时代的研究，翻开了生命科学领域新的一章。
图1. 1953年沃森和克里克发现DNA双螺旋结构。图片来源：nytimes.com
现在，科学家不仅知道DNA信息如何储存、如何复制、如何经过转录翻译成蛋白质在细胞工厂里开始各种化学反应，甚至还知道，如果将人类每个细胞中的DNA完全展开，大约能有2米长。
然而接下来这个看似非常简单的问题，至今尚未完全解决：这长达2米的DNA是如何折叠压缩，挤进了直径只有10微米的狭小细胞核呢？
经典模型
经过几十年的研究积累，目前这一领域中大家普遍认同染色体组装是一个多层级高度有序的过程（见图2.）。
图2. 经典的多层级染色质组装模型。图片来源：参考文献[2]
首先DNA链（蓝色链状）围绕组蛋白八聚体（H2A, H2B, H3和H4）（肉色球状）组成核小体，DNA如细丝般将大量核小体串起，形成了11nm的“念珠状”结构，它们按照螺线管或者Z字形排列堆砌成为30nm的染色质纤维，经过折叠聚集成120nm染色质丝，进而压缩为300-700nm的染色质。当细胞处于有丝分裂期时，染色质可进一步高度浓缩成1400nm的有丝分裂染色体。
这个经典多级装配模型让我们对细胞核这个狭小空间中发生如此复杂有序的过程叹为观止，然而在我们欣赏这种有序之美时，不禁会对这些基于纯化DNA和核小体的体外重建实验结果产生一些疑问，它们真的能够完全反映每一个细胞中染色质的真实状况吗？
最新一期《科学》杂志的封面故事，就是来自加州大学圣迭戈分校以及索尔克生物研究所的科学家们，向这一经典模型发起的挑战。
致命法宝
科学家一直看不清染色质在细胞核中原本的样子，因为在电子显微镜下，DNA的对比度过低。
直到最近， 科学家找到一种名为DRAQ5的特殊DNA荧光染料，成为突破这一技术瓶颈的致命法宝。
这种染料不仅可以荧光标记、结合DNA，还会在被激发后产生活性氧，使得二氨基联苯胺（DAB）光氧化发生DAB多聚化，这种多聚物像记号笔一样在细胞中把DNA标记出来（见图3.），让在透射电子显微镜下直接观察细胞核中的染色质结构成为可能，这种特殊的电镜样品染色方法被称为ChromEM技术[2]。
图3. DRAQ5可以同时荧光标记DNA，并且可以使DAB发生光氧化形成多聚物，使细胞核内DNA电子密度增高，电子显微镜下直接观察。图片来源：参考文献[2]
在这一方法产生前，科学家不得不先通过基因工程技术向细胞中引入特定的报告基因、或向细胞中加入核苷酸类似物使其在DNA复制中混入基因组，有时还需先提取出其它的细胞内容物以排除干扰。总之，科学家需要经过各种繁复的样品准备过程，才能得到一些染色质结构的信息。而ChromEM技术免去了各种冗杂的操作，避免了材料准备过程中可能对DNA产生的干扰，让染色质尽可能地保持它们最本真的状态。
“颠覆性”的新发现
采用ChromEM方法，研究人员观察了处于分裂间期的人类小气道上皮细胞（SAECs）的染色质结构，并结合电子显微镜断层扫描技术，重建了细胞核中的染色质三维结构（这个技术被称为ChromEMT技术）。
首先他们印证了大量前人的研究，发现染色质在整个细胞核中并非均一分布，位于细胞核周围、单位体积下染色质浓度相对较高的异染色质区，和在细胞核中心、染色质浓度相对较低的常染色质同时存在。
观察中还发现，无论在细胞核什么部位，染色质纤维的直径都惊人地一致落在5-24nm范围内。这些无序的纤维在镜下造型千奇百怪，有的呈直线形堆积，有的螺旋形盘曲，有的两条纤维相互平行聚在一起，有的组成环状（图4.）。
图4. 细胞核中的染色质纤维造型千奇百怪。图片来源：参考文献[2]
然而最令人出乎意料的是，在这些最新的电镜图片中，并没有看到经典模型中被认为染色质在细胞中最主要的存在模式——直径为30nm的染色质纤维和120nm 的染色质丝（图1里的“染色质纤维”和“染色质丝”）。
科学家们想，这也许因为细胞不在分裂期，染色质自然可以暂时地自由散漫一下。那么正处于有丝分裂的细胞染色体又是怎样的呢？
研究人员对分裂活跃的人类骨肉瘤细胞系进行相同的染色处理以及透射电镜观察，经过分析发现处于有丝分裂期的染色质纤维直径也同样落在5-24nm的范围内（图5.），并且与分裂间期细胞相同，并没有观察到30nm或直径更大的染色质结构。
图5. 染色质纤维的粗细在有丝分裂期间（上图）与分裂间期（下图） 并无差别，只是前者整体排列更加紧凑，后者更加舒展。图片来源：参考文献[2]
这一结果表明，有丝分裂并不会让染色质纤维变得又粗又大，而只会使分裂间期相对松散的染色体变得更加紧凑，使单位体积下染色体的密度更高。 而经典模型曾经预测的高度有序的多级结构，很可能只是科学家们的猜想。
无序之美
新技术展示了染色质的3D影像。制图：Salk Institute | Clodagh O’Shea
结构总是与功能性相适应，这次“颠覆性”的新发现，为染色质功能的研究又打开了一扇新的大门[3]。
在不同细胞状态下，染色质结构发生何种改变？各种蛋白质又是如何在不同的染色质状态下发挥调节功能？在ChromEM技术的帮助下，也许很快，科学家就能发现这些谜题的答案。
尽管这次新的发现“颠覆”了经典模型里染色质那种高度有序的美感，但也许，正是这无序的化繁为简，给了染色质在不同状态的结构间轻松切换的自由。
也许，就在这无序的混沌之中，蕴藏着科学家一直在寻找的答案。(编辑：明天)
题图来源：123RF
参考文献：
- McGraw Hill Encyclopedia of Science and Technology. New York: McGrawHill, 1997.
- ChromEMT: Visualizing 3D chromatin structure andcompaction of the human genome in interphase and mitotic cells," by H.D.Ou; C.C. O’Shea at Salk Institute for Biological Studies in La Jolla,CA; S. Phan; T.J. Deerinck; A. Thor; M.H. Ellisman at University ofCalifornia, San Diego in La Jolla, CA.
- "The genome—seeing it clearlynow," by D.R. Larson at National Cancer Institute, NIH in Bethesda, MD.