破解世紀之謎:首次揭秘人類活細胞中的DNA結構

　　來源：生物探索公眾號

　　編者按

　　上個月，一篇Cell論文改寫了教科書上關於DNA複製的描述。近日，發表在Science雜誌上的封面論文似乎又要改變人們此前對染色質結構的想像了。該研究中，科學家們揭開了關於染色質中DNA組織的世紀之謎，首次在人類活細胞的細胞核中實現了3D基因組成像。

圖片來源Science

　　7月28日，最新一期的《科學》雜誌發表了題為「ChromEMT： Visualizing 3D chromatin structure and compaction in interphase and mitotic cells」的封面文章。在這一研究中，來自Salk生物研究所和加州大學聖地牙哥分校的科學家們揭開了關於DNA組織的長期生物學之謎。研究人員首次在人類活細胞的細胞核中實現了3D基因組成像。

圖片來源Science

　　1新染料與關鍵技術ChromEMT

　　如果伸展開來，我們體內所有細胞的DNA將能到達冥王星。那麼，每一個微小的細胞是如何將一個兩米長的DNA放入它的細胞核中的呢？

　　這一生物學謎題的答案是理解細胞核中的DNA三維結構如何影響人體生物學的關鍵，包括我們的基因組如何協調細胞的活動，以及基因是如何在父母和子女之間傳遞的。

　　在這項最新的研究中，科學家們首次提出了人類活細胞細胞核中染色質3D結構前所未有的視圖。

　　在這一傑出的成果中，研究人員鑑定出了一種新型的DNA染料。這種染料與先進的顯微鏡檢查技術融合成了一種稱為ChromEMT的新技術，能夠讓休眠期和有絲分裂階段的細胞的染色質結構被高度詳細的可視化。

　　該研究的通訊作者Clodagh O』Shea說：「生物學中最棘手的挑戰之一就是弄清細胞核中DNA的高階（higher-order）結構，以及理解這些結構與功能之間的聯繫。這是非常重要的，因為DNA的生物學相關結構決定了基因的功能和活性。」

　　通過揭示活細胞中細胞核染色質的結構，這項研究可能有助於改寫DNA結構的教科書模型。

　　2活細胞中染色質結構之謎

　　自Francis Crick和James Watson確定DNA的初級結構是雙螺旋以來，科學家們一直想知道，DNA是如何進一步組織，使其完整的長度能夠裝進細胞核中。X射線和顯微鏡檢查揭示了染色質組織的初級結構：包含147個鹼基的DNA纏繞著蛋白質，形成直徑約為11納米的微粒——被稱為核小體。染色質（染色質是間期細胞遺傳物質存在的形式。染色體是指細胞在有絲分裂或減數分裂的特定階段，由染色質聚縮而成的棒狀結構）被認為是由一連串的核小體所組成。

　　一個問題是，此前，沒有人在還未破碎的細胞（指完整細胞）中在這些中間尺寸下（in these intermediate sizes）觀察到過染色質的結構。也就是說，事實上，在完整細胞中染色質高階結構的教科書模型仍未被證實。

　　為了解決在完整細胞核中可視化染色質的問題，O』Shea的研究小組篩選了大量的候選染料，最終找到了一個能夠被精確操作的，通過一系列複雜化學反應使DNA的局部結構和3D聚合物結構能夠在活細胞中被成像出來的染料。

　　隨後，O』Shea的團隊與加州大學聖地牙哥分校的顯微鏡學專家Mark Ellisman教授合作：通過將染色質染料與電子顯微鏡斷層攝影技術結合，他們創造了名為ChromEMT（chromatin dye with electron-microscope tomography，ChromEMT）的新技術。

　　研究小組利用ChromEMT技術對休眠人類細胞和分裂期細胞中的染色質進行了成像和分析。令人驚訝的是，他們在任何地方都沒有觀察到任何教科書模型的高階結構（Surprisingly， they did not see any of the higher-order structures of the textbook model anywhere。）。

　　該研究的第一作者Horng D。 Ou說：「從細胞核中提取，並在體外處理過的染色體可能不像完整細胞中的染色體。因此，能夠在體內直接觀察是非常重要的。」

　　From left： Horng Ou and Clodagh O』Shea（圖片來源：Salk Institute）

　　3顛覆人們此前想像

　　20世紀70年代以前，人們關於染色質結構的傳統看法認為，染色質是組蛋白包裹在DNA外面形成的纖維狀結構。直到1974年Kornberg等人根據染色質的酶切和電鏡觀察發現，核小體是染色質組裝的基本結構單位，提出染色質結構的「串珠」模型，從而更新了人們關於染色質結構的傳統觀念。

　　此前，這些核小體串珠（nucleosome 「beads on a string」）被認為是摺疊成直徑增加的（30、120或320納米等）離散的纖維結構（discrete fibers of increasing diameter）。（百度百科上關於染色質結構的描述是這樣的：串珠結構是染色質組裝的一級結構。不過在細胞中，染色質很少以這種伸展的串珠狀形式存在。當細胞核經溫和處理後，在電鏡下往往會看到直徑為30納米的染色質纖維。在有組蛋白H1存在的情況下，由核小體串珠結構螺旋盤繞，每圈6個核小體，形成外徑25~30納米，螺距12納米的螺線管。螺線管是染色質組裝的二級結構。）

　　然而，O』Shea的研究小組觀察到，在休眠和分裂的細胞中，染色質的「串珠」並沒有形成任何理論上所推測的30、120或320納米的高階結構。取而代之的是，它形成了半柔性鏈（semi-flexible chain）。這種鏈的長度在5-24納米之間連續變化，並通過彎曲和收縮實現不同的壓實程度。這表明，是染色質的組裝密度（packing density），而不是某些高階結構決定了基因組哪些區域是激活的，哪些區域是被抑制的。

　　A new technique enables 3D visualization of chromatin （DNA plus associated proteins） structure and organization within a cell nucleus （purple， bottom left） by painting the chromatin with a metal cast and imaging it with electron microscopy （EM）。 The middle block shows the captured EM image data， the front block illustrates the chromatin organization from the EM data， and the rear block shows the contour lines of chromatin density from sparse （cyan and green） to dense （orange and red）。（圖片來源：Salk Institute）

　　O』Shea說：「我們的研究結果表明，染色質並不需要形成離散的高階結構來適應細胞核。事實上，能夠改變和限制染色質可及性（accessibility）的是它的組裝密度。」

　　據悉，研究小組下一步的計劃是調查是否染色質的這種結構在不同細胞類型和生物體中是普遍的。

　　End

　　參考資料：1）Salk scientists solve longstanding biological mystery of DNA organization：Researchers image 3D genome in nucleus of living human cell for the first time

　　2）百度百科：核小體

　　3）百度百科：染色質