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科学家解决了DNA组织结构之谜
我们体内所有细胞中DNA展开能延伸到冥王星。那么每个微小的细胞是如何将两米长的DNA包装到自己千分之一毫米大小的核内的呢？
credit: 煎蛋画师Piccolo
这个令人生畏的生物学谜题的答案对于理解细胞核中DNA三维组织结构如何影响我们的生物学至关重要，从基因组如何协调细胞活动到基因如何从父母传递到子女。
现在，索尔克研究所和加州大学圣地亚哥分校的研究者首次以前所未有的视角提供了人类染色质的三维结构。
在7月27日发表在科学上的文章中，索尔克研究者鉴定了一种新型DNA染料，利用ChromEMT这种组合技术与先进显微技术相结合，得出了含有丰富细节的静止期和有丝分裂期的细胞的染色质结构可视化。通过揭示活体细胞中核染色质结构，这一工作将有助于重写教科书中的DNA组织模型，甚至改变我们研发疾病治疗手段的方式。
论文资深作者、索尔克副教授Clodagh O'Shea说道：“生物学中最棘手的挑战之一是找到细胞核中DNA的更高阶结构，以及这是如何影响基因组功能的。由于DNA的生物学相关结构决定了基因功能和活动，这无疑是很重要的。”
自从Francis Crick和James Watson确定了DNA的主要结构是双螺旋，科学家就想知道DNA是如何进一步组织才使得能被整个装进细胞核中并且在细胞的活动周期的不同时间点上能被细胞复制机制所使用的。X射线和显微镜表明染色质组织的主要层次中，蛋白质周围缠绕着147个DNA碱基对，形成直径约11纳米的核小体。这些核小体“绳珠”折叠为直径越来越大的独立纤维(30纳米，120纳米，320纳米等)，直到形成染色体。问题在于，通过分解细胞，处理其中的DNA，没人看到过这些离散中等尺寸的染色质，所以完整细胞中染色质的分层高阶组织结构的教科书模型仍然未被证实。
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为了克服完整细胞核中染色质的可视化问题，O'Shea的团队筛选了大量的候选染料，最终找到一种染料，这种燃料能在光线的操纵下进行一系列复杂的化学反应，将DNA的表面“涂上”一层金属，这样就能显像活体细胞中的染色质的局部结构和三维聚合组织结构。该团队与加州大学圣地亚哥分校显微专家Mark Ellisman教授合作，利用一种先进的电子显微镜，使样本在电子束下倾斜，重构三维结构。O'Shea的团队将这种结合染色质着色和电子显微断层摄影术的方法命名为ChromEMT。
该团队利用ChromEMT技术显像和测量了静止期和有丝分裂期的人类细胞染色质。令人惊讶的是，他们并没有看到教科书模型中的任何更高阶结构。
论文第一作者、索尔克副研究员Horng Ou说道：“教科书模型只是个卡通化的说明是因为从细胞核中提取出来的染色质经过了体外处理，可能与完整细胞中的并不相同，因此在活体内观察至关重要。”
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熟肉。Credit: Salk Institute/Clodagh O'Shea
在静止期和有丝分裂期的细胞中，该团队发现染色质中的“绳珠”并没有形成任何理论中所说的30纳米或者120纳米或者320纳米的更高阶结构，而是形成了半柔性的链，经过一番辛苦的测量，研究者发现这些链的长度连续分布于5到24纳米之间，并且可以弯曲，实现不同程度的压缩。这表明是核染色质的组装密度而非某些更高阶的结构决定了基因组哪些部分活跃哪些部分抑制。
有了三维显微重构，该团队就能在250纳米*1000纳米*1000纳米大小的染色质迂回曲折之中移动了，可以想象得出像RNA聚合酶这种转录DNA的大分子是如何被染色质不同组装密度所引导到达基因组上的特定地点的，这就像是电子游戏中飞船穿过一系列的峡谷。该团队的成果除了可能推翻DNA组织结构的教科书模型，还表明控制通往染色质的途径可能有助于预防、诊断和治疗癌症等疾病。
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O'Shea补充道：“我们表明染色质不需要形成离散更高阶结构来适应细胞核。组装密度改变和限制了染色质的可达性，提供了局部和全局的结构基础，不同DNA顺序、核小体变种和修饰按照这种结构集成到细胞核中，精巧地调整基因组的功能活性和可达性。”
下一步的工作是检查染色质的结构是否在不同类型细胞甚至不同生命体中都通用。
论文原文：DOI: 10.1126/science.aag0025
