伸展開來，我們體內(nèi)所有細(xì)胞的DNA都會(huì)到達(dá)冥王星。那么，每個(gè)微小細(xì)胞如何將一個(gè)兩米長(zhǎng)的DNA包裝到其細(xì)胞核中，這只是千分之一毫米?

這個(gè)令人生畏的生物之謎的答案對(duì)于理解細(xì)胞核中DNA的三維組織如何影響我們的生物學(xué)，從我們的基因組如何協(xié)調(diào)我們的細(xì)胞活動(dòng)到如何將基因從父母?jìng)鬟f給孩子來說，至關(guān)重要。

現(xiàn)在，Salk研究所和加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的科學(xué)家們首次提供了前所未有的人體染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)視圖- DNA和蛋白質(zhì)的組合 - 在人體細(xì)胞的細(xì)胞核中。

在2017年7月27日的“科學(xué)”雜志上描述的巡回研究中，Salk研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的DNA染料，當(dāng)與一種名為ChromEMT的組合技術(shù)中的先進(jìn)顯微鏡配對(duì)時(shí)，可以對(duì)靜息時(shí)細(xì)胞中的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行高度詳細(xì)的可視化。和有絲分裂(分裂)階段。通過揭示活細(xì)胞中的核染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，這項(xiàng)工作可能有助于改寫DNA組織的教科書模型，甚至改變我們接近疾病治療的方式。

“生物學(xué)中最棘手的挑戰(zhàn)之一是發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核中DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)，以及它如何與基因組中的功能相關(guān)聯(lián)，”Salk副教授Clodagh O'Shea表示，霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所該論文的學(xué)者和資深作者。“它具有重要意義，因?yàn)镈NA的生物學(xué)相關(guān)結(jié)構(gòu)決定了基因的功能和活性。”

自從弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森確定DNA的主要結(jié)構(gòu)為雙螺旋后，科學(xué)家們就想知道如何進(jìn)一步組織DNA以使其整個(gè)長(zhǎng)度能夠進(jìn)入核心，使得細(xì)胞的復(fù)制機(jī)器可以在不同的點(diǎn)進(jìn)入DNA。細(xì)胞的活動(dòng)周期。X射線和顯微鏡檢查顯示，染色質(zhì)組織的初級(jí)水平涉及147個(gè)堿基的DNA繞蛋白質(zhì)纏繞，形成直徑約為11納米(nm)的粒子，稱為核小體。然后認(rèn)為這些核小體“串上的珠子”折疊成直徑增大的離散纖維(30,120,320nm等)，直到它們形成染色體。問題是，

為了克服在完整細(xì)胞核中可視化染色質(zhì)的問題，O'Shea的團(tuán)隊(duì)篩選了許多候選染料，最終找到一種可以用光精確操作的染料，進(jìn)行一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，基本上“涂抹”表面DNA與金屬，使其局部結(jié)構(gòu)和3D聚合物組織可以在活細(xì)胞中成像。該團(tuán)隊(duì)與加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校，教授和顯微鏡專家Mark Ellisman(該論文的共同作者之一)合作，開發(fā)了一種先進(jìn)的電子顯微鏡，可以在電子束中傾斜樣品，從而重建3D結(jié)構(gòu)。O'Shea的團(tuán)隊(duì)稱這種技術(shù)將染色質(zhì)染料與電子顯微鏡層析成像ChromEMT相結(jié)合。

該團(tuán)隊(duì)使用ChromEMT對(duì)靜息人體細(xì)胞中的染色質(zhì)進(jìn)行成像和測(cè)量，并在細(xì)胞分裂(有絲分裂)過程中將DNA壓縮成最密集的形式 - 23對(duì)有絲分裂染色體，這是人類基因組的標(biāo)志性圖像。令人驚訝的是，他們沒有看到教科書模型的任何高階結(jié)構(gòu)。

“教科書模型是卡通插圖的原因，”Salk研究助理和該論文的第一作者Horng Ou說。“從細(xì)胞核中提取并在試管中進(jìn)行體外處理的染色質(zhì) - 在完整細(xì)胞中可能看起來不像染色質(zhì)，因此能夠在體內(nèi)觀察它是非常重要的。”

O'Shea的團(tuán)隊(duì)在靜息和分裂細(xì)胞中看到的是染色質(zhì)，其“串上的珠子”沒有形成任何高階結(jié)構(gòu)，如理論上的30或120或320納米。相反，它形成了一條半柔性鏈條，它們經(jīng)過精心測(cè)量，沿著長(zhǎng)度在5到24納米之間連續(xù)變化，彎曲和彎曲，以達(dá)到不同的壓實(shí)水平。這表明染色質(zhì)的堆積密度，而不是某些高階結(jié)構(gòu)，決定了基因組的哪些區(qū)域是活躍的，哪些是被抑制的。

通過3D顯微鏡重建，研究小組能夠通過250 nm x 1000 nm x 1000 nm體積的染色質(zhì)曲折，并設(shè)想轉(zhuǎn)錄(復(fù)制)DNA的大分子如RNA聚合酶可能是如何導(dǎo)向的染色質(zhì)的可變包裝密度，如通過一系列峽谷飛行的視頻游戲飛機(jī)，到基因組中的特定位置。除了可能顛覆DNA組織的教科書模型外，研究小組的結(jié)果還表明，控制染色質(zhì)的獲取可能是預(yù)防，診斷和治療癌癥等疾病的有效方法。

“我們證明染色質(zhì)不需要形成離散的高階結(jié)構(gòu)以適應(yīng)細(xì)胞核，”O'Shea補(bǔ)充道。“這是包裝密度可能會(huì)改變并限制染色質(zhì)的可及性，提供局部和全球結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，通過這種結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，DNA序列的不同組合，核小體變異和修飾可以整合到細(xì)胞核中，從而精細(xì)地調(diào)整功能活性和可及性我們的基因組。“

未來的工作將檢查染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)是否在細(xì)胞類型中甚至在生物體中是普遍的。