發(fā)布日期：2017-08-01
7月28日，最新一期的《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(kāi)了關(guān)于DNA組織的長(zhǎng)期生物學(xué)之謎。研究人員首次在人類(lèi)活細(xì)胞的細(xì)胞核中實(shí)現(xiàn)了3D基因組成像。
圖片來(lái)源Science
新染料與關(guān)鍵技術(shù)ChromEMT
如果伸展開(kāi)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)最新的研究中，科學(xué)家們首次提出了人類(lèi)活細(xì)胞細(xì)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(jìn)的顯微鏡檢查技術(shù)融合成了一種稱(chēng)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(shuō)：“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)镈NA的生物學(xué)相關(guān)結(jié)構(gòu)決定了基因的功能和活性。”
通過(guò)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(xiě)DNA結(jié)構(gòu)的教科書(shū)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納米的微粒——被稱(chēng)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(wèn)題是，此前，沒(méi)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(guò)染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，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(shū)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(wèn)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(guò)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(zhuān)家Mark Ellisman教授合作：通過(guò)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(lèi)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](méi)有觀察到任何教科書(shū)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(shuō)：“從細(xì)胞核中提取，并在體外處理過(guò)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。”
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(guò)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(pán)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(méi)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(guò)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。
來(lái)源：生物探索
