中国科学家解析30纳米染色质高级结构
困扰生物学界30余年难题被破解
30纳米染色质高级结构被称是现代分子生物学领域面临的“最大挑战之一”，而这个困扰生物学界30余年的最基本问题被中国科学家破解了。
4月25日，这个生物学界的研究“瓶颈”被一篇刊登在国际顶尖研究杂志《科学》的论文打破，中国科学家在61年后的同一天，详解了“生命之谜”，并“绘制”了世首幅30纳米染色质高清晰高级结构图。
据了解，本研究论文的评审人曾评论说：“30纳米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”。
遭遇瓶颈
据科技日报报道，4月25日，美国Science杂志刊登了一篇中科院生物物理研究所的论文，宣布解析了“30纳米染色质高级结构” ，这使人类知道了决定同卵双胞胎存有差异的“30纳米染色质”的结构。标志中国科学家在这个现代分子生物学难题上的研究得到世界同行的认可。
巧合的是，61年前，同样是4月25日，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，如果把一个细胞中的所有这些碱基对集中到一根DNA“绳子”上，它的长度大概是两米。两米长的DNA如何安放在直径只有几个微米的细胞核里？在现代生物学的教科书里，这个过程分4步完成：DNA双螺旋“绳子”缠绕在组蛋白上形成核小体；核小体密集堆积形成直径为30nm左右的管状螺旋体，即30nm染色质纤维；螺线管再进一步螺旋化成为直径为0.4微米的超螺旋体；最后，超螺旋体进一步折叠盘绕成可以在光学显微镜下看到的染色体。通过以上4步，DNA的长度被凝缩至原来的8400分之一左右。
科学探索到这里遭遇了瓶颈。虽然DNA被人们称为遗传信息的载体，但DNA在生命体内并不是独立存在的，任何遗传信息的传递和调控等生命活动都是在DNA与其缠绕的蛋白质所形成的染色质这个“生命信息载体”上进行的。生命体正是通过调控染色质结构，特别是30纳米染色质高级结构的变化，选择性地“打开”或者“关闭”基因，最终决定每个细胞的不同“命运”。这种现象就是近年来在生物学领域大热的表观遗传调控。染色质的三维空间高级精细结构一直是研究者孜孜以求的信息，但却迟迟没有得到破解。
可以写进教科书的成果
由于细胞核内的染色质结构高度变化，受多种因素的影响，难以获得适合高分辨率结构研究、高度均一的样品。再加上对于30nm染色质的高分辨率研究在国际上缺乏系统的研究手段，30多年来，研究一直未有突破性进展。
经中科院生物物理研究所朱平研究组、李国红研究组、许瑞明研究组长达5年合作努力，他们首次解析了30nm的高分辨率三维结构并提出了一种全新的染色质纤维结构模型，该模型揭示30nm染色质纤维是以4个核小体为结构单元，各单元之间通过相互扭转形成一个左手双螺旋高级结构，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。
“体内不行，移到体外。”李国红研究组依据多年在30nm染色质和表观遗传学的研究积累，建成一套染色质体外重建和结构分析平台，获得了适合体外研究的高度均一的样品。朱平研究组进一步利用冷冻电镜单颗粒三维重构方法获得了30nm染色质纤维的高分辨率三维重构结果。在研究组的合作下，世界上首次解析的染色质清晰高级结构图由此诞生。
该研究团队称，这个结果将染色质的高级结构组装、表观遗传调控机制的研究往前推了一大步，并为预测体内染色质结构建立的分子基础以及各种表观遗传调控因素的可能机理提供了可靠的结构基础。
“在现代生物学教科书中，30纳米染色质纤维一直被描述为由6个核小体组成的中空螺线管。”中科院前沿科学与教育局局长许瑞明说，因此这项成果是一项可以写进教科书的成果。 综合 科技日报 中国科学报
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