我国科学家在30nm染色质高级结构解析方面取得重大突破
图为 30nm染色质左手双螺旋结构模型 中科院生物物理研究所提供
新华网北京4月25日电(记者 王莹) 61年前的今天（1953年4月25日），英国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，从而揭开了遗传信息如何传递的“生命之谜”。在DNA双螺旋结构发现整整61年后的今天（2014年4月25日），美国Science杂志以长幅研究论文形式报道了来自我国科学家关于基因组“生命信息载体”— 30nm染色质高级双螺旋结构的另一重大发现。
中国科学院生物物理所朱平研究员和李国红研究员通过多年的紧密合作和不懈努力，利用一种冷冻电镜单颗粒三维重构技术在国际上首次解析了DNA和蛋白质折叠形成的30nm染色质的高清晰三维左手双螺旋高级结构。该结构揭示了30nm染色质纤维以4个核小体为结构单元；各单元之间通过相互扭曲折叠形成一个左手双螺旋高级结构。同时，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。
对此，本研究论文的评审人评论指出，“30nm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“目前为止解析的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”。
破解“生命信息”载体高级结构研究中的重要突破
人的基因组含有大概30亿对碱基，如果把一个细胞中这些碱基对集中到一根DNA“绳子”上，它的长度大概是2米。2米长的DNA要安放在直径只有几个微米的细胞核里，必须以某种方式凝缩起来。在现代生物学的教科书里，这个过程是分四步完成的，这四个过程对应着四级结构：第一级结构是核小体，它是DNA双螺旋“绳子”缠绕在组蛋白上而形成的；第二级结构是核小体进一步螺旋化形成30nm螺线管，这里6个核小体组成一圈形成中空结构的管状螺旋体，即30nm染色质纤维；第三级结构是由螺线管再进一步螺旋化成为直径为0.4微米的筒状体，也称为超螺旋体；第四级结构就是可以在显微镜下看到的染色体， 它是由超螺旋体进一步折叠盘绕成的。通过以上四步，DNA的长度被凝缩了8400倍左右。以上关于DNA的凝缩模型是目前科学界关于DNA、染色质和染色体组成的基本认识，也是现代生命科学教科书的经典内容。
由于缺乏一个系统性的、合适的研究手段和体系，目前对于30nm染色质纤维这一超大分子复合体的组装和调控机理的研究还十分有限，对于它的精细结构组成也具有很大争议。近30多年来，30nm染色质纤维高级结构研究一直是现代分子生物学领域面临的最大挑战之一。
中科院生物物理所长期从事冷冻电镜三维结构研究的朱平研究员和长期从事30nm染色质及表观遗传调控研究的李国红研究员通过多年的紧密合作和不懈努力，发挥各自专长和优势，成功建立了一套染色质体外重建和结构分析平台，利用一种冷冻电镜单颗粒三维重构技术在国际上率先解析了30nm染色质的高清晰三维结构，在破解“生命信息”的载体 -- 30nm染色质的高级结构研究中取得重要突破。
对理解细胞增殖、发育及分化过程中一些重要基因表达差异意义重大
高等生物的遗传信息储存在染色体的DNA中，每一个体具有200多种不同细胞，这些细胞都是从单个受精卵细胞发育分化而来的，具有相同的遗传信息，但是他们的形态和生理功能却大相径庭。研究表明，生命体通过调控细胞核内染色质结构（特别是30nm染色质高级结构）的动态变化来有选择性地进行基因的激活和沉默，从而控制细胞自我维持或定向分化，决定细胞的组织特异性和细胞命运，进而形成复杂的组织、器官和个体，这种现象被称为表观遗传调控。
表观遗传信息通过影响染色质高级结构的动态变化来实现对基因表达的调控。然而，染色质的高级结构变化却是科学界的一个“黑箱”，以至于在众多文献中研究者们常常把不能解释的一些事件归咎为“该因子以某种方式改变了染色质的高级结构”。在教科书中，30纳米染色质纤维被描述为“螺线管 (solenoid)”，但该结构从未被正式以结构生物学手段得到解析，是染色质和表观遗传学领域长期以来的高难度科学问题。由于30纳米染色质纤维本身的结构都未被解析，表观遗传信息对其结构乃至更高级染色质结构的影响更是无从谈起。
因此，本研究解析的“生命信息载体”- 30nm染色质左手双螺旋高级结构对于理解细胞增殖、发育及分化过程中一些重要基因的表达差异及表观遗传学调控机理，对于理解干细胞维持和自我更新与分化，个体的衰老和发育异常，如肿瘤、糖尿病、精神病及神经系统疾病等复杂疾病的发生发展等方面都起着关键性的作用，具有十分重大的科学意义。
本研究工作是中科院生物物理研究所朱平研究组、李国红研究组、许瑞明研究组长期合作获得的重要成果，得到了科技部973计划，国家自然科学基金委重大研究计划项目和重点项目以及中科院战略性先导科技专项（B类）等的资助。?