一项新技术能通过金属粉末给染色质(DNA和蛋白质)染色,再通过电子显微镜(EM)成像,呈现细胞核(紫色,左下角)中的染色质结构和构成的三维图像。中间的部分是收集到的EM图像数据,前部显示的是从EM数据中得出的染色质结构,后部显示的是从疏(蓝色和绿色)到密(橘色和红色)的染色质密度轮廓线。 图自:萨克生物研究院如果将我们身体里所有细胞的DNA拉伸开来,它能一直延伸到冥王星。所以,每个细胞是如何将长达2米的DNA塞进直径只有千分之一毫米宽的细胞核的呢?了解细胞核中DNA三维结构对生物机能的影响,包括基因组对细胞活动的协调作用以及基因如何一代代传递下去,很困难但也至关重要。如今,萨克生物研究院(Salk Institute)和加州大学圣迭戈分校的科学家们第一次展示出了活体人类细胞核里的染色质的三维结构(染色质是DNA和蛋白质的复合结构)。这项杰出的研究于2017年7月27日发表在了《科学》杂志上。研究过程中,萨克生物研究院的研究者们发现了一种新的DNA染剂,并将其与先进的显微技术相结合,研发出一项名为ChromEMT的技术,清晰地呈现出了处于休眠和有丝分裂阶段的细胞染色质结构。通过展示活体细胞中细胞核里的染色质结构,该研究或许将改写教科书中的DNA结构模型,甚至改变我们治疗疾病的方式。“生物学中的一大棘手难题便是找出细胞核中DNA的高阶结构,以及该结构与基因组的功能有何关系,”萨克生物研究院副教授克洛达赫·奥谢(Clodagh O'Shea)说道。她是霍华德·休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute)的研究员,也是这篇论文的主要作者。“这一问题至关重要,因为决定基因的功能和活动的,正是与生物机能相关的DNA结构。” 自从弗朗西斯·克里克(Francis Crick)和詹姆斯·沃森(James Watson)发现DNA的一级结构是双螺旋结构,科学家们就在思考DNA更深层次的构造方式如何将整个DNA塞进细胞核,让细胞的复制功能可以在各个细胞活动周期点上使用DNA。X射线和显微术显示,染色质的基本结构由147bp的DNA缠绕蛋白质形成的直径大约为11nm的粒子组成,这些粒子名为核小体(nucleosome)。理论上来说,这些核小体“串成一线”,之后折叠为直径递增(30nm、120nm、320nm等)的各自独立的纤维,最终形成染色体。问题是,目前还没有人在完整细胞中观察到这些大小不一的染色质。所以,教科书中的完整细胞内染色质高阶结构模型尚未得到证明。 为了克服这一问题,将完整细胞核中的染色质呈现出来,奥谢的团队试验了若干种备选染剂,最终找到一种能在精确操纵下进行一系列复杂化学反应,并通过一种金属给活体细胞中的DNA表面“上色”,使其局部结构和三维的聚合物结构呈现出来的染色剂。该团队与加州大学圣迭戈分校教授、显微镜专家、该论文的共同作者之一——马克·艾力斯曼(Mark Ellisman)合作,研发出一种先进的电子显微技术,能用电子束将样本倾斜,使其三维结构得以重现。奥谢的团队将这一结合了染色质染剂和电子显微断层扫描术的技术称为“ChromEMT”。通过ChromEMT,该团队呈现并测量了休眠和有丝分裂阶段人类细胞中的染色质(细胞分裂时,DNA被压缩至密度最大的状态,即人类基因组的标志性形象——23对有丝分裂染色体)。令人惊讶的是,他们并没有发现教科书模型里出现的任何高阶结构。“教科书上的模型都是示意图,这是有原因的,”该论文第一作者,萨克生物研究院研究助理宏·欧(Horng Ou)说道,“从细胞核里分离出来,在试管中经过处理的染色质,和完整细胞中的染色质是不同的,所以在活体中观察染色质至关重要。” 染色质结构决定了人类基因组的功能。为了呈现完整细胞中的染色质,该团队通过一项名为ChromEM的技术给DNA上色,用一种金属粉末给染色质染色,之后通过电子显微术给包裹着金属粉末的染色质进行三维成像,以此呈现染色质的结构与构成。这张图是三维成像中的一张。在ChromEM染色过的细胞(右图,暗色部分)中,我们可以详细地看到染色质的结构。左边没有染色的细胞中则看不到。 图自:萨克生物研究院/克洛达赫·奥谢/加州大学圣迭戈分校/马克·艾力斯曼奥谢团队在休眠和分裂细胞中发现,染色质的核小体“珠链”并没有像理论里说的那样形成30nm、120nm或320nm的高阶结构。相反,它形成了一个半柔性的链条。该团队付出巨大努力,终于测量出该链条的长度在5nm-24nm之间不等,通过弯曲和拉伸来实现不同程度的压缩。这意味着,是染色质的堆积密度,而不是某种高阶结构决定了基因组的表达。 通过三维显微镜再现技术,该团队穿透250 nm x 1000 nm x 1000 nm的曲曲折折的染色质,呈现了染色质多变的堆积密度如何引导核糖核酸聚合酶(RNA polymerase)等可复制DNA的大分子到达基因组的某一位点,就像电子游戏中的飞机穿过一系列峡谷到达终点一样。除了可能颠覆教科书上的DNA结构模型,该团队的研究成果还暗示:控制通向染色质的通道,或许能帮助我们预防、诊断、治疗癌症等疾病。“我们的研究表明,染色质不需要形成独立的高阶结构来将自己塞进细胞核,”奥谢补充道,“是染色质的堆积密度在控制并限制染色质的可表达性。这种方式提供了一个局部的球状基础结构,让各种组合类型的DNA序列、核小体变体和变异能结合到细胞核中,从而微妙地调整我们基因组的功能和可达性。”接下来的研究将探寻不同细胞或生物体的染色质结构是否相同。文章来源:https://phys.org/news/2017-07-scientists-longstanding-biological-mystery-dna.html 文章由企鹅科学和科普中国联合推出 转载请注明来自“科普中国”

科学家解开长久以来未得解答的DNA构造之谜

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一项新技术能通过金属粉末给染色质(DNA和蛋白质)染色,再通过电子显微镜(EM)成像,呈现细胞核(紫色,左下角)中的染色质结构和构成的三维图像。中间的部分是收集到的EM图像数据,前部显示的是从EM数据中得出的染色质结构,后部显示的是从疏(蓝色和绿色)到密(橘色和红色)的染色质密度轮廓线。图自:萨克生物研究院...