發(fā)布日期：2017-08-01
7月28日，最新一期的《科學》雜志發(fā)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圣地亞哥分校的科學家們揭開了關(guān)于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(xiàn)了3D基因組成像。
圖片來源Science
新染料與關(guān)鍵技術(shù)ChromEMT
如果伸展開來，我們體內(nèi)所有細胞的DNA將能到達冥王星。那么，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(jié)構(gòu)如何影響人體生物學的關(guān)鍵，包括我們的基因組如何協(xié)調(diào)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(zhì)3D結(jié)構(gòu)前所未有的視圖。
在這一杰出的成果中，研究人員鑒定出了一種新型的DNA染料。這種染料與先進的顯微鏡檢查技術(shù)融合成了一種稱為ChromEMT的新技術(shù)，能夠讓休眠期和有絲分裂階段的細胞的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)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(zhàn)之一就是弄清細胞核中DNA的高階（higher-order）結(jié)構(gòu)，以及理解這些結(jié)構(gòu)與功能之間的聯(lián)系。這是非常重要的，因為DNA的生物學相關(guān)結(jié)構(gòu)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(zhì)的結(jié)構(gòu)，這項研究可能有助于改寫DNA結(jié)構(gòu)的教科書模型。
活細胞中染色質(zhì)結(jié)構(gòu)之謎
自Francis Crick和James Watson確定DNA的初級結(jié)構(gòu)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(zhì)組織的初級結(jié)構(gòu)：包含147個堿基的DNA纏繞著蛋白質(zhì)，形成直徑約為11納米的微粒——被稱為核小體。染色質(zhì)（染色質(zhì)是間期細胞遺傳物質(zhì)存在的形式。染色體是指細胞在有絲分裂或減數(shù)分裂的特定階段，由染色質(zhì)聚縮而成的棒狀結(jié)構(gòu)）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(zhì)的結(jié)構(gòu)。也就是說，事實上，在完整細胞中染色質(zhì)高階結(jié)構(gòu)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(zhì)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，通過一系列復雜化學反應使DNA的局部結(jié)構(gòu)和3D聚合物結(jié)構(gòu)能夠在活細胞中被成像出來的染料。
隨后，O'Shea的團隊與加州大學圣地亞哥分校的顯微鏡學專家Mark Ellisman教授合作：通過將染色質(zhì)染料與電子顯微鏡斷層攝影技術(shù)結(jié)合，他們創(chuàng)造了名為ChromEMT（chromatin dye with electron-microscope tomography，ChromEMT）的新技術(shù)。
研究小組利用ChromEMT技術(shù)對休眠人類細胞和分裂期細胞中的染色質(zhì)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(jié)構(gòu)（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，并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(nèi)直接觀察是非常重要的。”
From left: Horng Ou and Clodagh O'Shea（圖片來源：Salk Institute）
顛覆人們此前想象
20世紀70年代以前，人們關(guān)于染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)看法認為，染色質(zhì)是組蛋白包裹在DNA外面形成的纖維狀結(jié)構(gòu)。直到1974年Kornberg等人根據(jù)染色質(zhì)的酶切和電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，核小體是染色質(zhì)組裝的基本結(jié)構(gòu)單位，提出染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的“串珠”模型，從而更新了人們關(guān)于染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)觀念。
此前，這些核小體串珠（nucleosome “beads on a string”）被認為是折疊成直徑增加的（30、120或320納米等）離散的纖維結(jié)構(gòu)（discrete fibers of increasing diameter）。（百度百科上關(guān)于染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的描述是這樣的：串珠結(jié)構(gòu)是染色質(zhì)組裝的一級結(jié)構(gòu)。不過在細胞中，染色質(zhì)很少以這種伸展的串珠狀形式存在。當細胞核經(jīng)溫和處理后，在電鏡下往往會看到直徑為30納米的染色質(zhì)纖維。在有組蛋白H1存在的情況下，由核小體串珠結(jié)構(gòu)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(zhì)組裝的二級結(jié)構(gòu)。）
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(zhì)的“串珠”并沒有形成任何理論上所推測的30、120或320納米的高階結(jié)構(gòu)。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(xù)變化，并通過彎曲和收縮實現(xiàn)不同的壓實程度。這表明，是染色質(zhì)的組裝密度（packing density），而不是某些高階結(jié)構(gòu)決定了基因組哪些區(qū)域是激活的，哪些區(qū)域是被抑制的。
來源：生物探索
