30nm染色質(zhì)纖維高級結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展

董立平 陳萍 李國紅

①博士研究生，②副研究員，③研究員，中國科學(xué)院生物物理研究所生物大分子國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101

30nm染色質(zhì)纖維高級結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展

董立平①陳萍②李國紅③

①博士研究生，②副研究員，③研究員，中國科學(xué)院生物物理研究所生物大分子國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101

30nm染色質(zhì)纖維；螺線管模型；Z字結(jié)構(gòu)模型；左手雙螺旋；冷凍電鏡技術(shù)；核小體；組蛋白H 1

真核生物的遺傳物質(zhì)DNA以染色質(zhì)形式通過逐級折疊壓縮存在于細(xì)胞核中。DNA纏繞組蛋白八聚體形成核小體，相鄰的核小體由連接DNA串聯(lián)起來形成染色質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)：核小體串珠結(jié)構(gòu)(beads-on-a-string)。一級結(jié)構(gòu)進(jìn)一步折疊形成30 nm染色質(zhì)纖維。近30多年來，30 nm染色質(zhì)纖維高級結(jié)構(gòu)的解析一直是困擾分子生物學(xué)家們的一大難題。研究者利用電鏡和X射線晶體學(xué)等生物物理學(xué)方法對30 nm染色質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，提出30 nm結(jié)構(gòu)的兩大模型：螺線管(so leno id)模型和Z字結(jié)構(gòu)(zig-zag)模型。筆者綜述了30 nm染色質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)解析方面的研究進(jìn)展，并著重闡述最近利用冷凍電鏡方法解析的30 nm染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，即以四個(gè)核小體為結(jié)構(gòu)單元的左手雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，最后對30 nm染色質(zhì)纖維在體內(nèi)是否存在，以及它在表觀遺傳調(diào)控中可能發(fā)揮的重要作用等問題進(jìn)行了討論和展望。

1953年4月25日，《Nature》雜志刊登了由Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型[1]，這一研究成果可以跟達(dá)爾文的進(jìn)化論相媲美，是生物學(xué)界的一次重要革命。61年后的同一天，2014年4月25日，《Science》雜志以長篇研究論文的形式發(fā)表了中國科學(xué)家在30 nm染色質(zhì)纖維高級結(jié)構(gòu)方面的成果，揭示30 nm染色質(zhì)纖維高級結(jié)構(gòu)是以四個(gè)核小體為結(jié)構(gòu)單元的左手雙螺旋結(jié)構(gòu)[2]。

那么，什么是30 nm染色質(zhì)纖維呢？1882年，德國細(xì)胞學(xué)家Flemm ing在研究細(xì)胞分裂時(shí)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核中有易被堿性染料染色的物質(zhì)，將其命名為染色質(zhì)。之后德國解剖學(xué)家Waldeyer在1888年將染色質(zhì)命名為染色體。在細(xì)胞分裂間期，電鏡觀察發(fā)現(xiàn)核內(nèi)的染色質(zhì)是一種細(xì)微纖絲，當(dāng)細(xì)胞進(jìn)入有絲分裂時(shí)，則形成高度濃縮的染色體。因此，染色質(zhì)和染色體是同一物質(zhì)在細(xì)胞不同時(shí)期的不同狀態(tài)。

一種生物細(xì)胞核中全部染色體上遺傳物質(zhì)的總和稱為基因組(genom e)。人的基因組含有大概30億個(gè)堿基對(bp)，將這些堿基對串聯(lián)成一條DNA繩子，其長度大概是2 m。這樣長的DNA要想存在于幾個(gè)微米大小的細(xì)胞核中就需要染色質(zhì)的逐級折疊和壓縮。在現(xiàn)代生物學(xué)的教科書中，對于這個(gè)過程的描述通常是分如下四步完成的，分別對應(yīng)著染色質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)：第一級結(jié)構(gòu)是11 nm核小體串珠結(jié)構(gòu)，它是DNA雙螺旋“繩子”纏繞在組蛋白上形成的，相鄰核小體之間由連接DNA相連；第二級結(jié)構(gòu)是核小體串珠在連接組蛋白H 1的存在下，纏繞形成螺線管狀的粗絲，即螺線管，每一螺旋包含6個(gè)核小體，其壓縮比為6；第三級結(jié)構(gòu)是由螺線管再進(jìn)一步螺旋化成為直徑為400 nm的超螺旋體，由30 nm螺線管纏繞形成，壓縮比為40；第四級結(jié)構(gòu)就是可以在顯微鏡下看到的染色體，它是由超螺旋體進(jìn)一步壓縮5倍形成的。通過以上四步，DNA的長度被凝縮了8400倍左右[3]。這是目前生物學(xué)界對于染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本認(rèn)識，也是分子生物學(xué)領(lǐng)域的經(jīng)典理論。

1953年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的解析，掀起了一場分子生物學(xué)領(lǐng)域的革命，而作為遺傳物質(zhì)載體的染色質(zhì)，它的結(jié)構(gòu)是如何組成的呢？越來越多的科學(xué)家對此產(chǎn)生濃厚的興趣，并開展了大量的研究。Kornberg[4-5]首先在理論上取得了重大突破。1974年，他第一次提出核小體的概念，并且通過生化實(shí)驗(yàn)證明核小體是由DNA纏繞組蛋白八聚體形成的，是染色質(zhì)的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元。同一年，Olins夫婦[6]在電鏡下觀察到了大鼠胸腺的染色質(zhì)串珠結(jié)構(gòu)(bead-like structure)。1975年，Cham bon及其合作者[7]同樣在電鏡下觀察到了雞肝的染色質(zhì)串珠結(jié)構(gòu)，一個(gè)一個(gè)的珠子即為核小體。這些發(fā)現(xiàn)都證明了核小體作為染色質(zhì)基本單元的存在。之后，對于核小體精確三維結(jié)構(gòu)組成的研究成為一大熱點(diǎn)，并且在20世紀(jì)90年代取得了重大突破。1991年，M oudrianak is和其合作者[8]利用X射線晶體學(xué)的方法解析了分辨率為3.1?的核小體的晶體結(jié)構(gòu)，但是由于分辨率有限，研究者只是對DNA在組蛋白上纏繞的走向作出了一些推測，并沒有給出確證的結(jié)論。直到1997年，Richmond等[9]將單個(gè)核小體的晶體結(jié)構(gòu)分辨率提高到2.8 ?，并且在晶體結(jié)構(gòu)中觀察到核小體是由146個(gè)堿基對長度的DNA以左手螺旋的方式纏繞組蛋白八聚體所形成，從而對于染色質(zhì)基本單位——核小體的精確結(jié)構(gòu)組成，做出了完美的解釋。眾所周知，在人體細(xì)胞中，核小體會進(jìn)一步折疊組裝成直徑為30 nm的染色質(zhì)二級結(jié)構(gòu)。那么染色質(zhì)二級結(jié)構(gòu)是以怎樣的形式存在呢？這就使得30 nm染色質(zhì)纖維精細(xì)結(jié)構(gòu)的解析成為研究重點(diǎn)。但是這樣一個(gè)既包含DNA，又含有蛋白質(zhì)的超大復(fù)合物，其結(jié)構(gòu)解析的難度可想而知。這個(gè)問題困擾了科學(xué)家們30多年，至今仍是分子生物學(xué)領(lǐng)域難以攻克的難題之一。

1 兩種模型，各存爭議

30多年來，大量的科學(xué)家被30 nm染色質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的研究所吸引，并投身其中?？茖W(xué)家們利用各種的生物化學(xué)和生物物理學(xué)技術(shù)，如電子顯微鏡、小角度X射線散射、中子散射、圓二色譜等，來研究30 nm染色質(zhì)纖維的結(jié)構(gòu)，并取得了一定的進(jìn)展。30 nm染色質(zhì)纖維的早期研究集中在體內(nèi)分離純化的天然染色質(zhì)上。根據(jù)電鏡及各種生物物理技術(shù)研究結(jié)果提出了幾種關(guān)于30 nm染色質(zhì)纖維的結(jié)構(gòu)模型，主要?dú)w納為兩大類(圖1)：螺線管結(jié)構(gòu)模型[10]和Z字結(jié)構(gòu)模型[11]。

早在1986年，Langmore等[12]就提出了染色質(zhì)纖維的左手雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，而且雙螺旋的直徑以及單位長度的量與連接DNA的長度相關(guān)。2004年，作為Z字結(jié)構(gòu)模型的代表人物，Richmond及其合作者[13]利用電鏡觀察到了30 nm染色質(zhì)纖維采用梯形(ladder)的Z字構(gòu)象。之后，他們利用X射線晶體學(xué)方法研究四聚核小體的結(jié)構(gòu)，得到分辨率大約為9 ?的四聚核小體晶體結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了30 nm染色質(zhì)纖維的結(jié)構(gòu)模型，支持Z字結(jié)構(gòu)模型[14]。但是，需要指出的是，他們的30 nm染色質(zhì)纖維是在高濃度的鎂離子和化學(xué)交聯(lián)條件下觀察到的，并且沒有加入連接組蛋白H1，并不接近體內(nèi)天然條件，很難反映30 nm染色質(zhì)纖維的真實(shí)結(jié)構(gòu)。另一派螺線管結(jié)構(gòu)模型的代表人物是劍橋大學(xué)的Rhodes及其合作者。他們利用類似的鹽透析方法和601 DNA序列，在加入H1條件下體外組裝30 nm染色質(zhì)纖維。他們的電鏡及冷凍電鏡結(jié)果顯示30 nm染色質(zhì)纖維并非梯形的Z字構(gòu)象，而是一種更加緊密的交叉螺線管(interdigitated solenoid)結(jié)構(gòu)[15]。他們進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)核小體間連接DNA的長度可能會影響30 nm染色質(zhì)纖維的結(jié)構(gòu)[16]。

自1976年30 nm染色質(zhì)纖維的螺線管結(jié)構(gòu)模型被提出至今已經(jīng)30多年[17]，無數(shù)科學(xué)家曾試圖揭示其中的奧秘。核小體是如何排列組裝形成30 nm染色質(zhì)纖維？這是一個(gè)亟待解決的問題，而解決爭議的唯一方法，就是得到高分辨率的結(jié)構(gòu)模型。

圖1 30 nm染色質(zhì)纖維的螺線管結(jié)構(gòu)模型(a)和Z字結(jié)構(gòu)模型(b)[15]

2 30nm染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)解析

2.1 冷凍電鏡技術(shù)是一把利器

最近幾年結(jié)構(gòu)生物學(xué)蓬勃發(fā)展，X射線晶體學(xué)、核磁共振方法(NMR)以及冷凍電鏡技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為成熟的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究手段。X射線晶體學(xué)是研究晶體中原子排列的學(xué)科，利用電子對X射線的散射作用獲得晶體中電子密度的分布情況，再從中分析獲得原子的位置資訊，即晶體結(jié)構(gòu)。核磁共振方法則是利用具有磁距的原子核在高強(qiáng)度磁場作用下，可吸收共振頻率的電磁輻射由低能態(tài)向高能態(tài)躍遷的現(xiàn)象對分子的結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行研究。不同分子中原子核的化學(xué)環(huán)境不同，導(dǎo)致不同的共振頻率，從而產(chǎn)生不同的核磁共振譜。在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域，X射線晶體學(xué)和核磁共振方法因其在分辨率方面的優(yōu)勢，一直處于主導(dǎo)地位，但是兩者亦有其局限性。核磁共振方法只能解析一些較小分子量的蛋白質(zhì)或者核酸結(jié)構(gòu)；而對X射線晶體學(xué)來說，如何純化高濃度、高質(zhì)量的蛋白樣品，篩選合適的晶體生長條件，是結(jié)構(gòu)能否解析的關(guān)鍵。30 nm染色質(zhì)纖維作為一個(gè)超大復(fù)合物，顯然無法用核磁共振方法解析其結(jié)構(gòu)；同時(shí)在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，制備高質(zhì)量的晶體從而得到其高精度的晶體結(jié)構(gòu)亦是一件十分艱難的任務(wù)。

1975—1999年，冷凍電鏡單顆粒成像技術(shù)經(jīng)過了G laeser、Tay lor、Adrian、Dubochet、Downing、Wah Chui和van Heel等多位科學(xué)家的努力，逐漸發(fā)展成熟。之后，冷凍電子斷層成像技術(shù)也開始發(fā)展[18]。冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展，將結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的研究對象由納米級擴(kuò)增至百納米甚至微米級，特別是最近幾年冷凍電鏡技術(shù)的飛速發(fā)展，有些生物大分子冷凍電鏡結(jié)構(gòu)的分辨率甚至達(dá)到了3 ?[19]，已經(jīng)接近X射線晶體學(xué)的分辨率水平。因此，冷凍電鏡技術(shù)是研究30 nm結(jié)構(gòu)的一把利刃，使其結(jié)構(gòu)的解析成為可能。

2.2 均一樣品的制備是關(guān)鍵

體內(nèi)環(huán)境十分復(fù)雜，組成核小體的DNA序列和長度存在差異，而且各種染色質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)控因素交互作用，使得體內(nèi)天然染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)具有高度的動態(tài)性和異質(zhì)性。鑒于體內(nèi)天然30 nm染色質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，科學(xué)家們在體外建立了一套30 nm染色質(zhì)纖維組裝/重構(gòu)體系。核小體串珠結(jié)構(gòu)是DNA以左手螺旋纏繞組蛋白八聚體形成的，是染色質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。為了得到高度均一的染色質(zhì)纖維，科學(xué)家們利用一種含有多個(gè)串聯(lián)的人工設(shè)計(jì)的601序列DNA為模板。與天然DNA相比，601序列DNA具有很強(qiáng)的核小體定位特性，更容易與組蛋白相互作用形成核小體。核心組蛋白H2A、H 2B、H 3和H4分別在大腸桿菌中表達(dá)純化，并體外組裝形成組蛋白八聚體。利用鹽透析方法，在體外將DNA模板和組蛋白八聚體按一定比例混合，由2 mol·L-1的NaCl高鹽濃度逐級透析到0.6 mol·L-1的NaCl低鹽濃度中形成核小體結(jié)構(gòu)。單個(gè)核小體的核心顆粒是由147 bp DNA纏繞一個(gè)組蛋白八聚體1.75圈形成。研究者所用的DNA模板是12個(gè)177 bp 601序列DNA首尾相接串聯(lián)而成，所以組裝形成的核小體核心顆粒之間由30 bp的連接DNA串聯(lián)。在電鏡下觀察核小體串珠結(jié)構(gòu)，可以明顯看到類似項(xiàng)鏈一樣的串珠結(jié)構(gòu)(圖2(a))。

“一個(gè)都不能少”，在制備核小體串珠結(jié)構(gòu)中顯得尤為重要，必須加入適量的組蛋白八聚體使DNA模板形成飽和的核小體串珠結(jié)構(gòu)，即每一個(gè)601序列DNA都和組蛋白八聚體形成穩(wěn)定的核小體。組蛋白八聚體少了，核小體不飽和，染色質(zhì)樣品就不夠均一，這樣會影響后面的數(shù)據(jù)收集和三維重構(gòu)；相反，如果組蛋白八聚體加多了，染色質(zhì)又會聚集形成一團(tuán)亂麻，從而無法給出任何有效的結(jié)構(gòu)信息。

染色質(zhì)或核小體串珠結(jié)構(gòu)制備好后，向其中摻入H1蛋白，核小體串珠結(jié)構(gòu)就會折疊形成30 nm染色質(zhì)纖維(圖2(b))。這個(gè)步驟中加入連接組蛋白H 1的量同樣非常重要，一個(gè)核小體核心顆粒對應(yīng)一個(gè)H1蛋白，H1少了則結(jié)構(gòu)不均一，無法進(jìn)行三維重構(gòu)；H1加多了也會引起染色質(zhì)的聚集，從而無法觀察單個(gè)染色質(zhì)纖維。

一旦得到均一的30 nm染色質(zhì)纖維樣品，就可以進(jìn)行冷凍電鏡觀察、數(shù)據(jù)收集和三維重構(gòu)。

2.3 冷凍凝固雙螺旋之美

“It is here where the art and science of cryo-EM meet.”(冷凍電鏡的科學(xué)與藝術(shù)正是在這里相遇)——van Heel et al. (2000)

制備好的冷凍樣品，是結(jié)構(gòu)解析的重要步驟。將用戊二醛固定過的染色質(zhì)樣品加到載體銅網(wǎng)上，然后將鋪好樣品的銅網(wǎng)瞬間投入液態(tài)乙烷中，冷凍速度高達(dá)每秒10 000 K。在這個(gè)過程中，樣品中的水分子還來不及結(jié)晶就已經(jīng)凝固住，可以最大程度地保存樣品的結(jié)構(gòu)信息。

圖2 30 nm染色質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的冷凍電鏡解析：(a) 鍍金屬電鏡技術(shù)觀察12-177 bp 601DNA組裝形成的核小體串珠結(jié)構(gòu)；(b) 負(fù)染電鏡技術(shù)觀察核小體串珠結(jié)構(gòu)在H1存在條件下形成的緊密30 nm染色質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)；(c) 冷凍電鏡技術(shù)觀察核小體串珠結(jié)構(gòu)在H 1存在條件下形成的緊密30 nm染色質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)；(d) H1存在條件下形成的緊密30 nm染色質(zhì)纖維的三維冷凍電鏡結(jié)構(gòu)；(e) 根據(jù)30 nm染色質(zhì)纖維的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)(d)建立的結(jié)構(gòu)模型及其示意圖(標(biāo)尺：50 nm)

研究者將制備好的冷凍樣品放在冷凍電鏡下觀察，可以看到均一的單個(gè)染色質(zhì)纖維(圖2(c))。對于觀察者來說，這些分子圖像有可能是俯視圖，也有可能是側(cè)視圖，我們可以假設(shè)視野中的不同分子是一個(gè)分子的不同角度的呈現(xiàn)。根據(jù)這個(gè)原理，盡可能多地拍攝分子的2D高清圖片，然后將圖片中的分子進(jìn)行分類和其他處理，進(jìn)而模擬這個(gè)分子在3D構(gòu)象的結(jié)構(gòu)，這就是單顆粒分析技術(shù)(SPA)。基于此方法，研究者收集到了足夠多的2D數(shù)據(jù)，然后重構(gòu)出了30 nm染色質(zhì)纖維的3D高清結(jié)構(gòu)圖，分辨率高達(dá)11 ?(圖2(d))。冷凍電鏡結(jié)構(gòu)顯示：30 nm染色質(zhì)纖維是一個(gè)左手雙螺旋結(jié)構(gòu)；以四個(gè)核小體為基本單元；不同的作用力分別介導(dǎo)了結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部的組裝以及結(jié)構(gòu)單元之間的扭轉(zhuǎn)；而核小體結(jié)構(gòu)單元之間的區(qū)域或許就是各種表觀遺傳調(diào)節(jié)因子的調(diào)控區(qū)域。同時(shí)，研究者還發(fā)現(xiàn)，組蛋白H 1在30 nm染色質(zhì)纖維的形成過程中起著重要的作用。

遺傳物質(zhì)對于生物體來說是至關(guān)重要的，這關(guān)系著生物體各種性狀的延續(xù)，所以遺傳物質(zhì)必須有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。在自然發(fā)展進(jìn)化過程中，具有穩(wěn)定性質(zhì)的雙螺旋結(jié)構(gòu)被生物體所選擇。30 nm染色質(zhì)纖維的左手螺旋結(jié)構(gòu)(圖2(e))，與DNA的右手螺旋結(jié)構(gòu)類似，這象征著生命之梯的延續(xù)，展現(xiàn)出生命的螺旋之美。

3 問題與展望

“橘生淮南則為橘，生于淮北則為枳，葉徒相似，其實(shí)味不同。所以然者何？水土異也。”——《晏子春秋》

在淮河以南，橘樹可以結(jié)出甘甜的橘子，而如果將其移植到淮河以北，結(jié)出的果子卻是苦澀的。雖然遺傳物質(zhì)一致，但是兩者表現(xiàn)出來的性狀大不相同。生物界中，類似的現(xiàn)象還有很多：一起長大的同卵雙胞胎具有完全相同的基因背景和成長環(huán)境，卻形成了截然不同的兩種性格，一個(gè)外向好動，一個(gè)卻內(nèi)向喜靜，并且對同一疾病具有不同的患病幾率；人體所有細(xì)胞都來自于同一個(gè)受精卵，在發(fā)育過程中卻向不同的方向分化，形成了神經(jīng)細(xì)胞、肌肉細(xì)胞、血細(xì)胞等200多種不同的細(xì)胞類型，肩負(fù)起不同的細(xì)胞使命。所有這些現(xiàn)象，都是“種瓜得瓜，種豆得豆”的經(jīng)典遺傳學(xué)無法解釋的，而屬于一門新興學(xué)科——表觀遺傳學(xué)的研究范疇。表觀遺傳學(xué)是一門研究在DNA序列不變的情況下，基因表達(dá)發(fā)生可繼承改變的學(xué)科。

染色質(zhì)好比音符，在表觀遺傳的調(diào)控下呈現(xiàn)出華麗多彩的樂章。基因的轉(zhuǎn)錄激活與沉默，使得具有相同基因組的細(xì)胞向某一方向定向分化，從而形成不同的組織。細(xì)胞核內(nèi)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化與基因的激活和沉默密切相關(guān)。因此，研究染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)，對于理解細(xì)胞發(fā)育與分化過程中的表觀遺傳調(diào)控機(jī)理具有十分重大的意義。

研究者利用冷凍電鏡技術(shù)解析了30 nm染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的高清晰圖譜，這是30 nm染色質(zhì)結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域取得的重大進(jìn)展。那體內(nèi)是否真的存在30 nm染色質(zhì)結(jié)構(gòu)呢？如果存在，體內(nèi)的30 nm染色質(zhì)纖維又是一種怎樣的構(gòu)象呢？這些都是該領(lǐng)域內(nèi)尚未解決的問題。Eltsov等[20]利用冷凍電鏡成像技術(shù)觀察Hela細(xì)胞有絲分裂時(shí)期的染色體，發(fā)現(xiàn)此時(shí)期的染色體高度濃縮，并具有結(jié)構(gòu)均一性，但是并沒有發(fā)現(xiàn)30 nm染色質(zhì)纖維的存在。他們認(rèn)為有絲分裂中期高度濃縮的染色體并不是以30 nm折疊的方式，而是以一種高度無序、相間錯(cuò)雜的狀態(tài)存在。Frangakis等[21]利用冷凍電子斷層掃描技術(shù)觀察雞的血紅細(xì)胞切片，發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞間期存在30 nm染色質(zhì)纖維，并經(jīng)計(jì)算推測出可能具有two-start左手螺旋結(jié)構(gòu)。由于體內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜，形成核小體DNA長度的變化，組蛋白變體(如H2A.Z、CENP-A、MacroH2A等)，組蛋白的化學(xué)修飾(如泛素化、甲基化等)等因素的存在，30 nm染色質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)也可能存在不同類型。另外，體內(nèi)的一些染色質(zhì)結(jié)合因子(如HP1等)也可能對其結(jié)構(gòu)起著重要的調(diào)控作用。系統(tǒng)地研究表觀遺傳因子對30 nm染色質(zhì)纖維高級結(jié)構(gòu)的影響，解析不同狀態(tài)下30 nm染色質(zhì)纖維的結(jié)構(gòu)，可以為理解表觀遺傳調(diào)控機(jī)制提供結(jié)構(gòu)生物學(xué)基礎(chǔ)。因此，30 nm染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的研究工作具有重大的生物學(xué)意義，當(dāng)然也是任重而道遠(yuǎn)，需要研究者們的不懈努力。

(2014年6月28日收稿)

參考文獻(xiàn)

[1] WATSON J D, CRICK F H C. Molecular structure of deoxypentose nucleic acids [J]. Nature, 1953, 171(4356): 737-738.

[2] SONG F, CHEN P, SUN D P, et al. Cryo-EM study of the chromatin fiber reveals a double helix tw isted by tetranucleosomal units [J]. Science, 2014, 344: 376-380.

[3] 朱玉賢, 李毅, 鄭曉峰. 現(xiàn)代分子生物學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社, 2007.

[4] KORNBERG R D, THOMAS J O. Chromatin structure: oligomers of the histones [J]. Science, 1974, 184: 865-868.

[5] KORNBERG R D. Chromatin structure: a repeating unit of histones and DNA [J]. Science, 1974, 184: 868-871.

[6] OLINS A L, OLINS D E. Spheroid chromatin units(v bodies) [J]. Science, 1974, 183: 330-332.

[7] OUDET P, GROSS-BELLARD M, CHAM BON P. E lectron m icroscopic and biochem ical evidence that chromatin structure is a repeating unit [J]. Cell, 1975, 4: 281-300.

[8] ARENTS G, BURLINGAME R W, WANG B C, et al. The nucleosomal core histone octamer at 3.1 ? resolution: a tripartite protein assembly and a left-handed superhelix [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 1991, 88: 10148-10152.

[9] LUGER K, MADER A W, RICHMOND R K, et al. Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 ? resolution [J]. Nature, 1997, 389: 251-260.

[10] W IDOM J, KLUG A. Structure of the 300 ? chromatin fi lament: X-ray diffraction from oriented samples [J]. Cell, 1985, 43: 207-213.

[11] WOODCOCK C L, FRADO L L, RATTNER J B, et al. The higherorder structure of chromatin: evidence for a helical ribbon arrangem ent [J]. J Cell Biol, 1984, 99: 42-52.

[12] W ILLIAMS S P, ATHEY B D, MUGLIA L J, et al. Chromatin fi bers are left-handed double helices with diameter and mass per unit length that depend on linker length [J]. Biophys J, 1986, 49: 233-248.

[13] DORIGO B, SCHALCH T, KULANGARA A, et al. Nucleosom e arrays reveal the tw o-start organization of the chrom atin fiber [J]. Science, 2004, 306: 1571-1573.

[14] SCHALCH T, DUDA S, SARGENT D F, et al. X-ray structure of a tetranucleosome and its implications for the chromatin fibre [J]. Nature, 2005, 436: 138-141.

[15] ROBINSON P J, FAIRALL L, HUYNH V A, et al. EM measurements def i ne the dimensionsof the "30-nm" chromatin fi ber: evidence for a compact, interdigitated structure [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2006, 103: 6506-6511.

[16] ROUTH A, SANDIN S, RHODES D. Nucleosome repeat length and linker histone stoichiometry determine chromatin fiber structure [J]. Proc Natl A cad Sci USA, 2008, 105: 8872-8877.

[17] FINCH J T, K LUG A. Solenoidal m odel fo r superstructure in chromatin [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 1976, 73: 1897-1901.

[18] 李鯤鵬. 冷凍電鏡技術(shù)與冷凍電鏡圖象去噪研究[D]. 廣州：中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 2005.

[19] LIAO M F, CAO E, JULIUS D, et al. Structure of the TRPV1 ion channel determ ined by electron cryo-m icroscopy [J]. Nature, 2013, 504: 107-112.

[20] ELTSOV M, MACLELLAN K M, MAESHIMA K, et al. Analysis of cryo-electron microscopy images does not support the existence of 30-nm chromatin fi bers in mitotic chromosomes in situ [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2008, 105(50): 19732-19737.

[21] SCHEFFER M P, ELTSOV M, FRANGAKIS A S. Evidence for shortrange helical order in the 30-nm chrom atin fi bers of erythrocyte nuclei [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2011, 108: 16992-16997.

(編輯：段艷芳)

New insights into the higher-order structure of 30-nm chromatin fiber

DONG Li-ping①, CHEN Ping②, LI Guo-hong③
①Ph. D. Candidate, ②Associate Professor, ③Professor, National Laboratory of Biomacromolecules, Institute of Biophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China

Genom ic DNA in the eukaryotic cells is hierarchically folded by histones into chromatin to fi t inside the nucleus. DNA w raps around the histone octamers to form nucleosomes, which are connected by linker DNA to form a “beads-on-a-string”nucleosomal array—the primary structure of chromatin. The nucleosomal array is further folded into a condensed 30-nm chromatin fi ber. In past three decades, the structure of 30-nm chromatin fi ber has been remained as one of the fundamental problems in molecular biology. Based on the early studies of electron m icroscopy, X-ray crystallography and other biophysical methods, two classic structural models have been hypothesized: the solenoid model and the zig-zag model. Here we review the recent research progresses on the structure of 30-nm chromatin fi ber and focus on the recent cryo-EM study of 30-nm chromatin structure which is revealed as a left-handed double helix tw isted by tetra-nucleosome units. In addition, w e discuss the physiological relevance of 30-nm chromatin fi ber in vivo and the perspective on its structural dynam ics in epigenetic regulations.

30-nm chromatin fi ber, solenoid model, zig-zag model, left-handed double helix, cryo-EM, nucleosome, histone H1

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.04.006