科學家解決了DNA組織結構之謎

我們體內所有細胞中DNA展開能延伸到冥王星。那麼每個微小的細胞是如何將兩米長的DNA包裝到自己千分之一毫米大小的核內的呢？

credit: 煎蛋畫師Piccolo

這個令人生畏的生物學謎題的答案對於理解細胞核中DNA三維組織結構如何影響我們的生物學至關重要，從基因組如何協調細胞活動到基因如何從父母傳遞到子女。

現在，索爾克研究所和加州大學聖地亞哥分校的研究者首次以前所未有的視角提供了人類染色質的三維結構。

在7月27日發表在科學上的文章中，索爾克研究者鑒定了一種新型DNA染料，利用ChromEMT這種組合技術與先進顯微技術相結合，得出了含有豐富細節的靜止期和有絲分裂期的細胞的染色質結構可視化。通過揭示活體細胞中核染色質結構，這一工作將有助於重寫教科書中的DNA組織模型，甚至改變我們研發疾病治療手段的方式。

論文資深作者、索爾克副教授Clodagh O"Shea說道：「生物學中最棘手的挑戰之一是找到細胞核中DNA的更高階結構，以及這是如何影響基因組功能的。由於DNA的生物學相關結構決定了基因功能和活動，這無疑是很重要的。」

自從Francis Crick和James Watson確定了DNA的主要結構是雙螺旋，科學家就想知道DNA是如何進一步組織才使得能被整個裝進細胞核中並且在細胞的活動周期的不同時間點上能被細胞複製機制所使用的。X射線和顯微鏡表明染色質組織的主要層次中，蛋白質周圍纏繞著147個DNA鹼基對，形成直徑約11納米的核小體。這些核小體「繩珠」摺疊為直徑越來越大的獨立纖維(30納米，120納米，320納米等)，直到形成染色體。問題在於，通過分解細胞，處理其中的DNA，沒人看到過這些離散中等尺寸的染色質，所以完整細胞中染色質的分層高階組織結構的教科書模型仍然未被證實。

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為了克服完整細胞核中染色質的可視化問題，O"Shea的團隊篩選了大量的候選染料，最終找到一種染料，這種燃料能在光線的操縱下進行一系列複雜的化學反應，將DNA的表面「塗上」一層金屬，這樣就能顯像活體細胞中的染色質的局部結構和三維聚合組織結構。該團隊與加州大學聖地亞哥分校顯微專家Mark Ellisman教授合作，利用一種先進的電子顯微鏡，使樣本在電子束下傾斜，重構三維結構。O"Shea的團隊將這種結合染色質著色和電子顯微斷層攝影術的方法命名為ChromEMT。

該團隊利用ChromEMT技術顯像和測量了靜止期和有絲分裂期的人類細胞染色質。令人驚訝的是，他們並沒有看到教科書模型中的任何更高階結構。

論文第一作者、索爾克副研究員Horng Ou說道：「教科書模型只是個卡通化的說明是因為從細胞核中提取出來的染色質經過了體外處理，可能與完整細胞中的並不相同，因此在活體內觀察至關重要。」

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熟肉。Credit: Salk Institute/Clodagh O"Shea

在靜止期和有絲分裂期的細胞中，該團隊發現染色質中的「繩珠」並沒有形成任何理論中所說的30納米或者120納米或者320納米的更高階結構，而是形成了半柔性的鏈，經過一番辛苦的測量，研究者發現這些鏈的長度連續分布於5到24納米之間，並且可以彎曲，實現不同程度的壓縮。這表明是核染色質的組裝密度而非某些更高階的結構決定了基因組哪些部分活躍哪些部分抑制。

有了三維顯微重構，該團隊就能在250納米*1000納米*1000納米大小的染色質迂迴曲折之中移動了，可以想像得出像RNA聚合酶這種轉錄DNA的大分子是如何被染色質不同組裝密度所引導到達基因組上的特定地點的，這就像是電子遊戲中飛船穿過一系列的峽谷。該團隊的成果除了可能推翻DNA組織結構的教科書模型，還表明控制通往染色質的途徑可能有助於預防、診斷和治療癌症等疾病。

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O"Shea補充道：「我們表明染色質不需要形成離散更高階結構來適應細胞核。組裝密度改變和限制了染色質的可達性，提供了局部和全局的結構基礎，不同DNA順序、核小體變種和修飾按照這種結構集成到細胞核中，精巧地調整基因組的功能活性和可達性。」

下一步的工作是檢查染色質的結構是否在不同類型細胞甚至不同生命體中都通用。

論文原文：DOI: 10.1126/science.aag0025

本文譯自 phys，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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