科学家解决DNA组织的长期生物学谜团

伸展开来，我们体内所有细胞的DNA都会到达冥王星。那么，每个微小细胞如何将一个两米长的DNA包装到其细胞核中，这只是千分之一毫米?

这个令人生畏的生物之谜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，从我们的基因组如何协调我们的细胞活动到如何将基因从父母传递给孩子来说，至关重要。

现在，Salk研究所和加利福尼亚大学圣地亚哥分校的科学家们首次提供了前所未有的人体染色质三维结构视图- DNA和蛋白质的组合 - 在人体细胞的细胞核中。

在2017年7月27日的“科学”杂志上描述的巡回研究中，Salk研究人员发现了一种新的DNA染料，当与一种名为ChromEMT的组合技术中的先进显微镜配对时，可以对静息时细胞中的染色质结构进行高度详细的可视化。和有丝分裂(分裂)阶段。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，甚至改变我们接近疾病治疗的方式。

“生物学中最棘手的挑战之一是发现细胞核中DNA的高级结构，以及它如何与基因组中的功能相关联，”Salk副教授Clodagh O'Shea表示，霍华德休斯医学研究所该论文的学者和资深作者。“它具有重要意义，因为DNA的生物学相关结构决定了基因的功能和活性。”

自从弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森确定DNA的主要结构为双螺旋后，科学家们就想知道如何进一步组织DNA以使其整个长度能够进入核心，使得细胞的复制机器可以在不同的点进入DNA。细胞的活动周期。X射线和显微镜检查显示，染色质组织的初级水平涉及147个碱基的DNA绕蛋白质缠绕，形成直径约为11纳米(nm)的粒子，称为核小体。然后认为这些核小体“串上的珠子”折叠成直径增大的离散纤维(30,120,320nm等)，直到它们形成染色体。问题是，

为了克服在完整细胞核中可视化染色质的问题，O'Shea的团队筛选了许多候选染料，最终找到一种可以用光精确操作的染料，进行一系列复杂的化学反应，基本上“涂抹”表面DNA与金属，使其局部结构和3D聚合物组织可以在活细胞中成像。该团队与加利福尼亚大学圣地亚哥分校，教授和显微镜专家Mark Ellisman(该论文的共同作者之一)合作，开发了一种先进的电子显微镜，可以在电子束中倾斜样品，从而重建3D结构。O'Shea的团队称这种技术将染色质染料与电子显微镜层析成像ChromEMT相结合。

该团队使用ChromEMT对静息人体细胞中的染色质进行成像和测量，并在细胞分裂(有丝分裂)过程中将DNA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，他们没有看到教科书模型的任何高阶结构。

“教科书模型是卡通插图的原因，”Salk研究助理和该论文的第一作者Horng Ou说。“从细胞核中提取并在试管中进行体外处理的染色质 - 在完整细胞中可能看起来不像染色质，因此能够在体内观察它是非常重要的。”

O'Shea的团队在静息和分裂细胞中看到的是染色质，其“串上的珠子”没有形成任何高阶结构，如理论上的30或120或320纳米。相反，它形成了一条半柔性链条，它们经过精心测量，沿着长度在5到24纳米之间连续变化，弯曲和弯曲，以达到不同的压实水平。这表明染色质的堆积密度，而不是某些高阶结构，决定了基因组的哪些区域是活跃的，哪些是被抑制的。

通过3D显微镜重建，研究小组能够通过250 nm x 1000 nm x 1000 nm体积的染色质曲折，并设想转录(复制)DNA的大分子如RNA聚合酶可能是如何导向的染色质的可变包装密度，如通过一系列峡谷飞行的视频游戏飞机，到基因组中的特定位置。除了可能颠覆DNA组织的教科书模型外，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以适应细胞核，”O'Shea补充道。“这是包装密度可能会改变并限制染色质的可及性，提供局部和全球结构基础，通过这种结构基础，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，从而精细地调整功能活性和可及性我们的基因组。“

未来的工作将检查染色质的结构是否在细胞类型中甚至在生物体中是普遍的。