新一期的《科學(xué)》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(lái)自 Salk 生物研究所和加州大學(xué)圣地亞哥分校的科學(xué)家們揭開了關(guān)于 DNA 組織的長(zhǎng)期生物學(xué)之謎。研究人員在人類活細(xì)胞的細(xì)胞核中實(shí)現(xiàn)了 3D 基因組成像。

如果伸展開來(lái)，我們體內(nèi)所有細(xì)胞的 DNA 將能到達(dá)冥王星。那么，每一個(gè)微小的細(xì)胞是如何將一個(gè)兩米長(zhǎng)的 DNA 放入它的細(xì)胞核中的呢？

這一生物學(xué)謎題的答案是理解細(xì)胞核中的 DNA 三維結(jié)構(gòu)如何影響人體生物學(xué)的關(guān)鍵，包括我們的基因組如何協(xié)調(diào)細(xì)胞的活動(dòng)，以及基因是如何在父母和子女之間傳遞的。

在這項(xiàng)新的研究中，科學(xué)家們提出了人類活細(xì)胞細(xì)胞核中染色質(zhì) 3D 結(jié)構(gòu)視圖。

圖片來(lái)源 Science

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(jìn)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(xì)胞的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)被高度詳細(xì)的可視化。

該研究的通訊作者 Clodagh O’Shea 說：“生物學(xué)中最棘手的挑戰(zhàn)之一就是弄清細(xì)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?yàn)?DNA 的生物學(xué)相關(guān)結(jié)構(gòu)決定了基因的功能和活性?！?/span>

通過揭示活細(xì)胞中細(xì)胞核染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)，這項(xiàng)研究可能有助于改寫 DNA 結(jié)構(gòu)的教科書模型。

活細(xì)胞中染色質(zhì)結(jié)構(gòu)之謎

自 Francis Crick 和 James Watson 確定 DNA 的初級(jí)結(jié)構(gòu)是雙螺旋以來(lái)，科學(xué)家們一直想知道，DNA 是如何進(jìn)一步組織，使其完整的長(zhǎng)度能夠裝進(jìn)細(xì)胞核中。X 射線和顯微鏡檢查揭示了染色質(zhì)組織的初級(jí)結(jié)構(gòu)：包含 147 個(gè)堿基的 DNA 纏繞著蛋白質(zhì)，形成直徑約為 11 納米的微?！环Q為核小體。染色質(zhì)（染色質(zhì)是間期細(xì)胞遺傳物質(zhì)存在的形式。染色體是指細(xì)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(rèn)為是由一連串的核小體所組成。

一個(gè)問題是，此前，沒有人在還未破碎的細(xì)胞（指完整細(xì)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(shí)上，在完整細(xì)胞中染色質(zhì)高階結(jié)構(gòu)的教科書模型仍未被證實(shí)。

為了解決在完整細(xì)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(gè)能夠被精確操作的，通過一系列復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)使 DNA 的局部結(jié)構(gòu)和 3D 聚合物結(jié)構(gòu)能夠在活細(xì)胞中被成像出來(lái)的染料。

隨后，O’Shea 的團(tuán)隊(duì)與加州大學(xué)圣地亞哥分校的顯微鏡學(xué)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(duì)休眠人類細(xì)胞和分裂期細(xì)胞中的染色質(zhì)進(jìn)行了成像和分析。令人驚訝的是，他們?cè)谌魏蔚胤蕉紱]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(xì)胞核中提取，并在體外處理過的染色體可能不像完整細(xì)胞中的染色體。因此，能夠在體內(nèi)直接觀察是非常重要的?！?/span>

From left: Horng Ou and Clodagh O’Shea（圖片來(lái)源：Salk Institute）

顛覆人們此前想象

20 世紀(jì) 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(rèn)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(rèn)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(jí)結(jié)構(gòu)。不過在細(xì)胞中，染色質(zhì)很少以這種伸展的串珠狀形式存在。當(dāng)細(xì)胞核經(jīng)溫和處理后，在電鏡下往往會(huì)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(gè)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(jí)結(jié)構(gòu)。）

然而，O’Shea 的研究小組觀察到，在休眠和分裂的細(xì)胞中，染色質(zhì)的 “串珠” 并沒有形成任何理論上所推測(cè)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(zhǎng)度在 5-24 納米之間連續(xù)變化，并通過彎曲和收縮實(shí)現(xiàn)不同的壓實(shí)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。

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(lái)源：Salk Institute）

O’Shea 說：“我們的研究結(jié)果表明，染色質(zhì)并不需要形成離散的高階結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)細(xì)胞核。事實(shí)上，能夠改變和限制染色質(zhì)可及性（accessibility）的是它的組裝密度?！?/span>

據(jù)悉，研究小組下一步的計(jì)劃是調(diào)查是否染色質(zhì)的這種結(jié)構(gòu)在不同細(xì)胞類型和生物體中是普遍的。