30納米染色質高級結構解析揭開生命奧秘的“黑箱子” _奧秘

你真的了解自己的身體嗎？你知道一個細胞中的DNA加起來有2米長嗎？這么長的DNA怎樣被“塞”進僅有幾微米大小的細胞核呢？
其實，這也是科學家想要搞清楚的問題。
4月25日，美國《科學》雜志報道了中科院生物物理所一項關于30納米染色質高級結構解析的研究成果。這篇研究論文發表后，一個塵封30多年的謎題隨之解開。
和而不同，誰搞的鬼？
【30納米染色質高級結構解析揭開生命奧秘的“黑箱子”】每個細胞都是從單個受精卵細胞發育分化而來，具有相同的遺傳信息。然而，人體卻有著200多種不同的細胞，它們的形態和生理功能千差萬別。
更有意思的是，西班牙和美國科學家于2009年分析了一對同卵雙胞胎的全基因組，發現其中一個人的基因正常，另一個人卻患有一種與遺傳有關的疾病——紅斑狼瘡。
原來，雖然DNA被人們稱為遺傳信息的載體，但DNA在生命體內并不是獨立存在的，任何遺傳信息的傳遞和調控等生命活動都是在DNA與其纏繞的蛋白質所形成的染色質這個“生命信息載體”上進行的。
生命體正是通過調控染色質結構，特別是30納米染色質高級結構的變化，選擇性地“打開”或者“關閉”基因，最終決定每個細胞的不同“命運” 。這種現象就是近年來在生物學領域大熱的表觀遺傳調控。
不過，染色質的高級結構變化卻像一個“黑箱子”，科學界對此一直沒有搞清楚。因此，在很多文獻中，研究者只好把一些不能解釋的現象模糊地歸咎為“該因子以某種方式改變了染色質的高級結構” 。
“長期以來，30納米染色質結構一直是染色質和表觀遺傳學領域的‘老大難’問題。”生物物理所研究員李國紅說，結構都未被解析，表觀遺傳信息對其結構乃至更高級染色質結構的影響就更無從談起了。
可李國紅也很清楚，只有啃下這塊“硬骨頭”，人類在認識自己的道路上才能走得更遠。
點亮生命密碼
但這一切談何容易。結構生物學中常用的X射線晶體、核磁共振等方法，面對30納米染色質纖維這樣一個超大分子復合體都顯得無能為力。由于缺乏系統性的、合適的研究手段和體系，近30年來， 30納米染色質纖維高級結構研究一直是現代分子生物學領域面臨的最大挑戰之一。
然而，生物物理所研究員朱平的加入，為這項研究帶來了新希望。朱平的專長是冷凍電鏡三維結構研究，他與長期從事30納米染色質及表觀遺傳調控研究的李國紅發揮各自優勢，搭建了一套染色質體外重建和結構分析平臺。
“冷凍電鏡的原理其實二三十年前就有了，但直到最近幾年才有了比較大的發展，它是研究這類超大分子復合體結構最合適的手段。”朱平介紹說，生物物理所于2010年建成了世界一流的冷凍電鏡研究平臺，科學家也就有了破解30納米染色質結構的“金剛鉆” 。
這一研究的另一大難題是樣品的制備。在人體內，任何環境細微的變化都會引起30納米染色質的很大變化，在體外環境下就更難得到高度均一的樣品。為此，李國紅設計了一種體外自組裝方法，精確控制實驗環境，使其盡可能與體內環境接近，最終成功制備出合格的樣品。
終于，中國研究團隊在國際上率先解析了30納米染色質的高清晰三維結構：30納米染色質纖維以4個核小體為結構單元，各單元之間通過相互扭曲折疊形成一個左手雙螺旋的高級結構。

30納米染色質高級結構解析 揭開生命奧秘的“黑箱子”

30納米染色質高級結構解析揭開生命奧秘的“黑箱子”