科学家们解开了DNA组织长期以来的生物学之谜

伸展开来，我们体内所有细胞的DNA就会到达冥王星。那么，每个微小的细胞是如何将两米长的DNA装进只有千分之一毫米宽的细胞核里的呢?

这个令人生畏的生物学谜题的答案对于理解细胞核中DNA的三维组织如何影响我们的生物学至关重要，从我们的基因组如何协调我们的细胞活动到基因如何从父母传给孩子。

现在，索尔克研究所(Salk Institute)和加州大学圣地亚哥分校(University of California, San Diego)的科学家们首次提供了一种前所未有的视角，展示了人类细胞核中人类色素(DNA和蛋白质的组合)的3D结构。

在2017年7月27日发表在《科学》(Science)杂志上的一项“强力”研究中，索尔克的研究人员发现了一种新的DNA染料，这种染料与一种名为ChromEMT的先进显微镜技术结合使用时，可以非常详细地显示细胞在休息和有丝分裂(分裂)阶段的染色质结构。通过揭示活细胞中的核染色质结构，这项工作可能有助于改写DNA组织的教科书模型，甚至改变我们治疗疾病的方式。

Salk副教授Clodagh O 'Shea说:“生物学中最棘手的挑战之一是发现细胞核中DNA的高阶结构，以及它与基因组中的功能之间的联系。”“这是非常重要的，因为这是决定基因功能和活性的DNA的生物学相关结构。”

自从弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森决定的主要结构DNA双螺旋结构,科学家们想知道DNA是进一步组织允许其整个长度包装进入细胞核,细胞的复制机器可以访问它在细胞周期的不同时间点的活动。x射线和显微镜显示，染色质组织的初级水平涉及147个碱基绕着蛋白质形成直径约11纳米(nm)的核小体。这些核小体“串珠”被认为可以折叠成直径不断增大的离散纤维(30、120、320 nm等)，直到它们形成染色体。问题是，没有人见过染色质在细胞中以这些离散的中间大小出现，这些细胞没有被分裂，DNA也没有被严格处理，所以教科书上关于染色质在完整细胞中的高阶结构的模型还没有得到验证。

克服问题的可视化染色质在一个完整的核,奥谢的团队筛选了一些染料,最终找到一个可以精确的操纵与光进行一系列复杂的化学反应,本质上是“漆”DNA与金属的表面,使其局部结构和三维聚合物组织可以在活细胞成像。该研究小组与加州大学圣地亚哥分校教授、显微镜专家马克·埃利斯曼(Mark Ellisman)合作，开发了一种先进的电子显微镜技术，该技术能在电子束中倾斜样本，使其三维结构得以重建。埃利斯曼是这篇论文的合著者之一。通过结合染色质染料和电子显微镜断层扫描，他们创造了ChromEMT。

研究小组使用ChromEMT对静止的人类细胞和细胞分裂过程中的染色质进行成像和测量。在细胞分裂过程中，DNA被压缩成最密集的形式——23对有丝分裂染色体，这是人类基因组的标志性图像。令人惊讶的是，他们在任何地方都没有看到教科书模型的高阶结构。

教材模型是一幅卡通插图，这是有原因的。“从细胞核中提取并在试管中加工的染色质，可能不像完整细胞中的染色质，因此能够在体内看到它是非常重要的。”

奥谢的研究小组在静息细胞和分裂细胞中发现，染色质的“串珠”不像理论上的30、120或320纳米那样形成任何高阶结构。相反，它形成了一个半柔性链，他们煞费苦心地测量它的长度在5到24纳米之间不断变化，弯曲和弯曲以达到不同程度的压实。这表明是染色质的堆积密度，而不是一些高阶结构决定了基因组的哪些区域是活跃的，哪些区域是被抑制的。

三维显微重建,团队能够穿过250 nm x 1000 x 1000 nm的染色质的曲折,并设想如何大量分子RNA聚合酶、DNA转录(副本),可能是由染色质的变量存储密度,像电子游戏一样飞机通过一系列的峡谷、基因组中特定的点。除了可能颠覆DNA组织的教科书模型，研究小组的结果还表明，控制染色质的获取可能是预防、诊断和治疗癌症等疾病的有效方法。

“我们证明染色质不需要形成离散的高阶结构来适应细胞核，”O’shea补充说。“包装密度可能会改变并限制染色质的可及性，从而提供一个局部和全局的结构基础，通过这个基础，DNA序列的不同组合、核小体变异和修饰可以整合到细胞核中，精确地调整我们基因组的功能活性和可及性。”