中国科学家率先解析生命信息载体结构奥秘

作者：张馨予

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30nm染色质左手双螺旋结构模型

新浪科技讯 4月25日消息，61年前的今天(1953年4月25日)，英国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。

人的基因组含有大概30亿对碱基，如果把这些碱基对集中到一根DNA“绳子”上，它的长度大概是2米。2米长的DNA要安放在直径只有几个微米的细胞核里，必须以某种方式凝缩起来。在现代生物学的教科书里，这个过程是分四步完成的，这四个过程对应着四个结构：第一级结构是核小体，它是DNA双螺旋“绳子”缠绕在组蛋白上而形成的；第二级结构是核小体进一步螺旋化形成30nm螺线管，这里6个核小体组成一圈形成中空结构的管状螺旋体，即30nm染色质纤维；第三级结构是由螺线管再进一步螺旋化成为直径为0.4微米的筒状体，也称为超螺旋体；第四级结构就是可以在显微镜下看到的染色体，它是由超螺旋体进一步折叠盘绕成的。通过以上四步，DNA的长度被凝缩了8400倍左右。以上关于DNA的凝缩模型是目前科学界关于DNA、染色质和染色体组成的基本认识，也是现代生命科学教科书的经典内容。

由于缺乏一个系统性的、合适的研究手段和体系，目前对于30nm染色质纤维这一超大分子复合体的组装和调控机理的研究还十分有限，对于它的精细结构组成也具有很大争议。近30多年来，30nm染色质纤维高级结构研究一直是现代分子生物学领域面临的最大挑战之一。 2014年4月25日(DNA双螺旋结构发现61周年纪念日)，国际顶尖研究杂志Science上以长幅研究论文(Research Article)形式报道了来自中国科学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。中科院生物物理所长期从事冷冻电镜三维结构研究的朱平研究员和长期从事30nm染色质及表观遗传调控研究的李国红研究员通过多年的紧密合作和不懈努力，发挥各自专长和优势，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30nm染色质的高清晰三维结构，在破解“生命信息”的载体 -- 30nm染色质的高级结构研究中取得了重要突破。该结构揭示了30nm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一个左手双螺旋高级结构(图)。同时，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。本研究论文的评审人评论说 “30nm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”。

高等生物的遗传信息储存在染色体的DNA中，每一个体具有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的，具有相同的遗传信息，但是他们的形态和生理功能却大相径庭。研究表明，生命体通过调控细胞核内染色质结构(特别是30nm染色质高级结构)的动态变化来有选择性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。因此，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十分重大的意义。

本研究工作是中科院生物物理研究所朱平研究组、李国红研究组、许瑞明研究组长期合作获得的重要成果，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和重点项目以及中科院战略性先导科技专项(B类)等的资助。

背景：

1953年4月25日，英国剑桥大学卡文迪许实验室的沃森(James Dewey Watson，1928-)和克里克(Francis Harry Compton Crick，1916-2004)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，从而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。他们也因为这项开创性的研究与威尔金森分享了1962年的诺贝尔生理学或医学奖。

然而，任何有关DNA的生命活动(包括基因转录、DNA复制、修复和重组等)都是在由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的。近30来，染色质的三维结构研究一直是现代分子生物学领域面临的最大的挑战之一。最近，中国科学院生物物理研究所的科学家经过多年的不懈努力，在国际上首次解析了30nm染色质纤维的高分辨率冷冻电镜结构，提出了一种全新的染色质纤维的左手双螺旋结构模型，在破译“生命信息”建立和调控的分子机理研究中取得了重大突破。2014年4月25日(与DNA双螺旋结构的发现同一天)，该成果在国际顶尖杂志Science上以长幅研究论文(Research Article)报道。

1. DNA右手双螺旋结构