科學網—30納米染色質高級結構成功解析

2020-12-06 科學網

李國紅（中）在工作中。

 

■本報記者 甘曉

DNA如何包裝成染色體，是科學家們一直努力破解的重要科學問題。近30年來，由於缺乏系統、合適的研究手段，作為染色質包裝過程中承上啟下的關鍵部分，30納米染色質高級結構研究一直是現代分子生物學領域面臨的最大挑戰之一。

科學家已經發現，染色質包裝分4步完成，對應了染色質的四級結構：第一級結構是核小體；第二級結構是核小體螺旋化形成30納米染色質纖維；第三級結構是30納米染色質再摺疊成更為複雜的染色質高級結構，即超螺旋體；第四級結構是超螺旋體進一步摺疊形成在光學顯微鏡下可以看到的染色體。

為解析30納米染色質的高精度三維冷凍電鏡結構，中科院生物物理所研究員李國紅課題組及其合作者（朱平課題組和許瑞明課題組）在基金委重大研究計劃「細胞編程與重編程的表觀遺傳學機制」支持下，自主建立了染色質體外組裝和冷凍電鏡技術（11埃）。利用這一技術，研究人員在國際上首次發現30納米染色質纖維是以4個核小體為結構單元形成的左手雙螺旋結構。同時，連接組蛋白H1在單個核小體內部及核小體單元之間的不對稱分布及相互作用促成30納米高級結構的形成，從而明確了H1在30納米染色質纖維形成過程中的重要作用。

2014年4月25日，在DNA雙螺旋結構發現61周年的紀念日，《科學》雜誌以Double Helix，Doubled（《雙螺旋，無獨有偶》）為題介紹了這項重要成果，並同期刊發英國劍橋大學教授Andrew Travers撰寫的題為The 30-nm Fiber Redux（《30納米纖維的歸來》）的評論。該評論指出：（本文）結果明確地界定了染色質纖維中DNA的走向，解決了染色質到底是單股纖維還是雙股纖維這個根本性的問題。本來似乎已經陷入困境的30納米染色質纖維結構研究，又會重新成為生物學家們繼續關注的焦點。該成果發表後受到國內外學術界的廣泛關注，被多部世界知名最新版本教科書收錄（《生物化學》《結構生物學》等）。

據李國紅介紹，在30納米染色質纖維結構解析的基礎上，他們通過與中科院物理所李明課題組合作，利用單分子磁鑷技術對30納米染色質纖維建立和維持的動力學過程進行了深入的探討。在後續研究中，研究人員正在建立和完善描繪全基因組染色質結構的MNase-seq技術——gMNase-seq（細胞核內染色質結構分析方法），通過蛋白質融合或不同大小的金顆粒修飾和改造MNase，提高MNase-seq的空間解析度，進一步描繪了細胞核內染色質纖維三維結構的動態調控及其分子機制。

「30納米染色質纖維結構」先後入選「十八大以來中國科學院重大創新成果」和「中國科學院『十二五』標誌性重大進展核心成果」。該研究成果表明我國科學家在攻克30納米染色質纖維高級結構這一30多年懸而未決的重大科學問題上取得了重要突破，這使我國在染色質結構研究領域達到國際領先水平。同時，也為預測體內染色質結構建立的分子基礎以及各種表觀遺傳因素對染色質結構調控的可能機理提供了結構基礎。

《中國科學報》 (2018-07-30 第4版 綜合)

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