摘要:这么长的DNA是怎么“放”进去的?长期以来,这一直是一个生物学界的未解之谜 - 而理解DNA的折叠以及三维组织结构,是遗传学进步的重要基础。

你知道吗,每个人类细胞里都有一条长达2米的DNA - 如果把我们身体里所有的DNA都链接起来,足够从地球伸展到冥王星了!那么问题就来了:小小的细胞只有几百到几千立方微米的体积,这么长的DNA是怎么“放”进去的?长期以来,这一直是一个生物学界的未解之谜 - 而理解DNA的折叠以及三维组织结构,是遗传学进步的重要基础。

近日,来自美国Salk研究所的科学家利用新型ChromEMT技术,历史上首次在细胞中观测到了人类染色质的3D结构。他们的观察结果不仅改写了教科书中的理论,而且为基因研究提供了更强的推动力。这项研究刊登在最新一期《Science》杂志上 - 现在就跟随未止科技小编来一探究竟吧!

自从沃森和克里克发现DNA的双螺旋结构开始,科学家们一直在探索DNA是如何被折叠到细胞核之中,以及它们是如何在细胞周期的各个阶段被复制和表达。通过X射线和显微技术,科学家们已经证明了DNA首先会缠绕在组蛋白(histone)上,形成核小体(nucleosome)- 它们直径11纳米,包含147bp DNA片段,是染色质的最小构成单位。核小体如同”一串珠子”一样,继续包装和折叠,形成不同直径的染色质纤维(30、120、320纳米等),直到最终形成完整的染色体(直径1400纳米),实现了高密度的DNA压缩。

《Sicence》新研究改写教科书:人体细胞的DNA竟然是这样折叠的!-ScienceLondon未止科技

但最大问题是,没有人在细胞中“看到”过这些直径30纳米到1000纳米不等的染色质纤维。目前的研究方法,都是先将细胞分解,随后用强力的化学物质处理DNA,最后分析DNA的折叠结构。这种方法存在两个弊端:首先,细胞被分解了,我们观察到的并不是一个完整的图像。其次,多种化学物质有可能损伤DNA结构,造成观察结果由偏差。因此,现在教科书上普遍应用的三维DNA折叠模型并不严谨,并未在一个完整的活细胞中进行过观察和验证。

论文第一作者Horng Ou说:“教科书上的染色体结构模型为何都是卡通图像而不是实际照片呢?这其中是由原因的:现在的研究方法都是将染色质从细胞核中提取出来,然后在试管中进行处理 - 这可能与完整细胞中的观察结果不符。所以,活体细胞中观察染色质结构,是十分重要的。”

为了克服这些难题,寻找到最真实的DNA结构图像,来自美国Salk研究所的Clodagh O’Shea教授开发出了一种名叫ChromEMT的显微荧光成像技术,能够在不损伤细胞完整性的情况下,对细胞减数分裂期和分裂间期的染色质进行高精度的成像。

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这种神奇的技术是如何实现的呢?

O’Shea教授带领团队经过长期的筛选,发现了一种染料:在光线的操控下,它可以进行催化反应,生成一种金属多聚体,为DNA表明披上一层“金属外衣”。这些多聚体发出的信号,可以被电子显微镜捕捉到,从而能够使我们看到DNA结构的图像。但是,只有染料还不够,科学家们还需要合适的电镜设备来成像。在电镜专家Mark Ellisman的帮助下,O’Shea教授由开发出了一种类似“X射线断层扫描”的电镜设备,能够全方位调整电子束的角度,从而重新构建出一个完整的DNA三维图像。结合染色质染料和电镜设备,他们创造出了ChromEMT技术。

一切准备妥当,O’Shea教授马上利用新技术,对两种人类细胞染色质进行了观察:包括染色质较为松散的分裂间隙,以及DNA密度较大的减数分裂时期(染色体在这个时期彻底成型)。

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令人惊讶的是,他们并未观察到任何教科书中提到的染色质高阶结构 - 即核小体继续压缩形成的染色质纤维(>30纳米)。

观察结果显示,不论是在分裂间期还是分裂期,这串“核小体珠子”并不会形成任何30nm、120nm或者320nm直径的高阶纤维结构。相反,它们会形成柔韧的、直径5-24nm的链条。它们能够自由弯曲,包装组合,以形成更高级的压缩形态 - 在分裂间期,它们灵活性更大;而在分裂期,它们就会拥有极高的密度。

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这或许表明:基因组的表达差异并不是由高阶的折叠结构决定的,而是靠染色质的包装密度。

借助电镜的3D重构技术,科学家们可以“亲身进入”一个250 nm x 1000 nm?x?1000 nm的染色质空间 - 就像玩游戏一样,他们可以用第一人称视角在DNA上“环游”- 这让他们能够分析染色质密度如何影响RNA聚合酶。

我们的研究显示,染色质其实并不需要形成各种尺寸的高阶结构来适配细胞核。”O’Shea补充道,“包装密度可以改变或者限制染色质的可触及性(accessibility)。这提供了局部和整体的基础,让我们能够深刻理解DNA序列、核小体以及基因修饰是如何被整合到细胞核中 - 从而实现基因组功能和活性的控制。”

来自美国生化成像和生物工程研究所的主管Roderic Pettigrew博士表示:”这项突破性的研究将彻底改变遗传学和生物化学的教科书!它深度揭示了这些复杂的生物学结构是如何执行人体的精密功能。”

事实上,O’Shea教授的研究不仅仅是为基础科研提供了基础。他们相信,进一步的研究能够探索癌症病毒和癌症突变是如何改变细胞DNA的组织结构,从而导致细胞生长不受控制。这样一来,科学家们就可以去设计新的药物,来操纵DNA的结构,从而让癌细胞“回忆”起如何变回正常细胞。另外,我们也可以为细胞植入更多新功能,从而提高人类的健康状况。

人类的进步少不了科学家们的默默奉献,让我们一起为他们点个赞吧!