点击显示 收起
困扰研究人员30多年的最基本分子生物学问题获得了突破。4月25日，《科学》杂志刊登了中国科学家的长篇论文，宣布解析了“30纳米染色质高级结构”，这使人类知道了决定同卵双胞胎存有差异的“30纳米染色质”的结构。
据该论文的作者之一、中科院生物物理研究所研究员李国红介绍，遗传信息DNA是经过凝缩之后聚集在只有几个微米的细胞核里的，其核小体以密集堆积的方式形成了一种直径在30纳米左右的管状螺旋体，即30纳米染色质纤维。目前国际上对30纳米染色质纤维这一超大分子复合体的组装和调控机理还不清楚，对于其精细结构组成也有很大争议，“30多年来，对其结构的研究一直是现代分子生物学领域面临的最大挑战之一”。
李国红与生物物理所研究员朱平经过四五年的密切合作与不懈努力，成功建立了一套染色质体外重建和结构分析平台，利用一种冷冻电镜单颗粒三维重构技术，在国际上率先解析了30纳米染色质的高清晰三维结构，在破解“生命信息”的载体——30纳米染色质的高级结构研究中取得了重大突破。朱平说，这一结构提示了30纳米染色质纤维以4个核小体为结构单元，各单元之间通过相互扭曲折叠形成了一个左手方向的双螺旋高级结构，它还明确了组蛋白H1在30纳米染色质纤维形成过程中的重要作用。
据了解，本研究论文的评审人曾评论说：“30纳米染色质结构是最基本的分子生物学问题之一，困扰了研究人员30余年”，该结果是“目前为止最有挑战性的结构之一”，“在理解染色质如何装配这个问题上迈出了重要的一步”。
高等生物的遗传信息是储存在染色体的DNA中，每一个个体具有200多种不同细胞，这些细胞都是从单个受精卵细胞发育分化而来。奇怪的是，虽然它们具有相同的遗传信息，但它们的形态和生理功能却大相径庭。以往的研究揭示，生命体通过调控细胞核内染色质结构（特别是30纳米染色质高级结构）的动态变化来有选择地进行基因的激活和沉默，从而控制细胞自我维持或定向分化，决定细胞的组织特异性和细胞命运，进而形成复杂的组织、器官和个体。此次研究首次明确了染色质这个调控平台的结构组成以及选择性的基因激活和沉默是如何发生的。有专家表示，研究染色质的高级结构及其调控机制对于理解细胞增殖、发育及分化过程中一些重要基因的表达差异及表观遗传学调控机理具有重大意义。
此项成果是生物物理所朱平研究组、李国红研究组、许瑞明研究组长期合作的结果。它得到了科技部973计划、国家自然科学基金委重大研究计划项目及中科院战略先导科技专项等的资助。
一个困扰生物学界30余年的最基本问题被中国科学家破解了。
据来自中国科学院方面的确切消息，4月25日，美国Science杂志将以长篇幅研究论文形式报道中科院生物物理研究所一项关于30nm染色质高级结构解析的重大成果，标志中国科学家在这个现代分子生物学难题上的研究得到世界同行的认可。该论文的评审人评论该成果是“目前为止解析的最有挑战性的结构之一”，“在理解染色质如何装配这个问题上迈出了重要的一步”。
61年前，同样是在4月25日，剑桥大学卡文迪许实验室的沃森和克里克在英国Nature杂志上发表了一篇划时代的论文，向世界宣告他们发现了DNA的双螺旋结构，揭开了遗传信息如何传递这个“生命之谜”。这个发现使生命科学的研究深入到分子层次，开启了现代分子生物学时代，成为20世纪最伟大的科学发现之一。
虽然DNA是遗传信息的载体，但DNA在生命体内并不是独立存在的，任何遗传信息的传递和调控等生命活动都是在DNA与其所缠绕的蛋白质形成的染色质这个“生命信息载体”上进行的——
人的基因组含有大概30亿对碱基，如果把一个细胞中的所有这些碱基对集中到一根DNA“绳子”上，它的长度大概是两米。两米长的DNA如何安放在直径只有几个微米的细胞核里？在现代生物学的教科书里，这个过程分4步完成：DNA双螺旋“绳子”缠绕在组蛋白上形成核小体；核小体密集堆积形成直径为30nm左右的管状螺旋体，即30nm染色质纤维；螺线管再进一步螺旋化成为直径为0.4微米的超螺旋体；最后，超螺旋体进一步折叠盘绕成可以在光学显微镜下看到的染色体。通过以上4步，DNA的长度被凝缩至原来的8400分之一左右。
科学探索到这里遭遇了瓶颈。以上4个过程分别对应着四级结构，30nm染色质纤维是DNA凝缩模型的第二级结构，在分子层次，任何有关DNA的生命活动都在由DNA与其所缠绕的组蛋白组装形成的染色质这个结构平台上进行。染色质的三维空间高级精细结构一直是研究者孜孜以求的信息，但却迟迟没有得到破解。在现代生物学的教科书里，关于染色质二级结构的一种广泛推测是：6个核小体组成一圈形成中空结构的螺旋体，即30nm染色质纤维。
这种推测的螺线管模型被中科院的最新研究结果所推翻。该院生物物理研究所朱平研究组、李国红研究组、许瑞明研究组合作首次解析了30nm的高分辨率三维结构并提出了一种全新的染色质纤维结构模型，该模型揭示30nm染色质纤维是以4个核小体为结构单元，各单元之间通过相互扭转形成一个左手双螺旋高级结构，该研究也首次明确了连接组蛋白H1在30nm染色质纤维形成过程中的重要作用。
不过，这个研究之路并不容易，由于细胞核内的染色质结构高度变化，受多种因素的影响，难以获得适合高分辨率结构研究、高度均一的样品。再加上对于30nm染色质的高分辨率研究在国际上缺乏系统的研究手段，30多年来，研究一直未有突破性进展。
“体内不行，移到体外。”生物物理研究所李国红研究组依据多年在30nm染色质和表观遗传学的研究积累，建成一套染色质体外重建和结构分析平台，获得了适合体外研究的高度均一的样品。朱平研究组进一步利用冷冻电镜单颗粒三维重构方法获得了30nm染色质纤维的高分辨率三维重构结果。据介绍，在这两个研究组的合作下，世界上首次解析的染色质清晰高级结构图由此诞生。
该研究团队称，这个结果将染色质的高级结构组装、表观遗传调控机制的研究往前推了一大步，并为预测体内染色质结构建立的分子基础以及各种表观遗传调控因素的可能机理提供了可靠的结构基础。
