4月25日（DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)61周年紀(jì)念日），Science以長幅研究論文（Research Article）形式報道了來自中國科學(xué)院生物物理研究所一項關(guān)于30nm染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)解析的重大成果。生物物理所長期從事冷凍電鏡三維結(jié)構(gòu)研究的朱平研究員和長期從事30nm染色質(zhì)及表觀遺傳調(diào)控研究的李國紅研究員通過多年的緊密合作和不懈努力，發(fā)揮各自專長和優(yōu)勢，成功建立了一套染色質(zhì)體外重建和結(jié)構(gòu)分析平臺，利用一種冷凍電鏡單顆粒三維重構(gòu)技術(shù)在國際上率先解析了30nm染色質(zhì)的高清晰三維結(jié)構(gòu)，在破解“生命信息”的載體——30nm染色質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)研究中取得了重要突破。該結(jié)構(gòu)揭示了30nm染色質(zhì)纖維以4個核小體為結(jié)構(gòu)單元；各單元之間通過相互扭曲折疊形成一個左手雙螺旋高級結(jié)構(gòu)（圖1）。同時，該研究也首次明確了連接組蛋白H1在30nm染色質(zhì)纖維形成過程中的重要作用。本研究論文的評審人評論說，“30nm染色質(zhì)結(jié)構(gòu)是最基本的分子生物學(xué)問題之一，困擾了研究人員30余年”，該結(jié)果是“目前為止解析的最有挑戰(zhàn)性的結(jié)構(gòu)之一”，“在理解染色質(zhì)如何裝配這個問題上邁出了重要的一步”。
高等生物的遺傳信息儲存在染色體的DNA中，每一個體具有200多種不同細(xì)胞，這些細(xì)胞都是從單個受精卵細(xì)胞發(fā)育分化而來的，具有相同的遺傳信息，但是他們的形態(tài)和生理功能卻大相徑庭。研究表明，生命體通過調(diào)控細(xì)胞核內(nèi)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)（特別是30nm染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)）的動態(tài)變化來有選擇性地進(jìn)行基因的激活和沉默，從而控制細(xì)胞自我維持或定向分化，決定細(xì)胞的組織特異性和細(xì)胞命運(yùn)，進(jìn)而形成復(fù)雜的組織、器官和個體。因此，研究染色質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)及其調(diào)控機(jī)制對于理解細(xì)胞增殖、發(fā)育及分化過程中一些重要基因的表達(dá)差異及表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)理具有十分重大的意義。
61年前的今天（1953年4月25日），英國劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的沃森（James Dewey Watson，1928-）和克里克（Francis Harry Compton Crick，1916-2004）在英國Nature雜志上發(fā)表了一篇劃時代的論文，向世界宣告他們發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，揭開了遺傳信息如何傳遞這個“生命之謎”。這個發(fā)現(xiàn)使生命科學(xué)的研究深入到分子層次，開啟了現(xiàn)代分子生物學(xué)時代，成為20世紀(jì)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。
人的基因組含有大概30億對堿基，如果把這些堿基對集中到一根DNA“繩子”上，它的長度大概是2米。2米長的DNA要安放在直徑只有幾個微米的細(xì)胞核里，必須以某種方式凝縮起來。在現(xiàn)代生物學(xué)的教科書里，這個過程是分四步完成的，這四個過程對應(yīng)著四個結(jié)構(gòu)：第一級結(jié)構(gòu)是核小體，它是DNA雙螺旋“繩子”纏繞在組蛋白上而形成的；第二級結(jié)構(gòu)是核小體進(jìn)一步螺旋化形成30nm螺線管，這里6個核小體組成一圈形成中空結(jié)構(gòu)的管狀螺旋體，即30nm染色質(zhì)纖維；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0.4微米的筒狀體，也稱為超螺旋體；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)一步折疊盤繞成的。通過以上四步，DNA的長度被凝縮了8400倍左右。以上關(guān)于DNA的凝縮模型是目前科學(xué)界關(guān)于DNA、染色質(zhì)和染色體組成的基本認(rèn)識，也是現(xiàn)代生命科學(xué)教科書的經(jīng)典內(nèi)容。
由于缺乏一個系統(tǒng)性的、合適的研究手段和體系，之前對于30nm染色質(zhì)纖維這一超大分子復(fù)合體的組裝和調(diào)控機(jī)理的研究還十分有限，對于它的精細(xì)結(jié)構(gòu)組成也具有很大爭議。近30多年來，30nm染色質(zhì)纖維高級結(jié)構(gòu)研究一直是現(xiàn)代分子生物學(xué)領(lǐng)域面臨的最大挑戰(zhàn)之一。
“30nM染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)解析”工作是生物物理所朱平研究組、李國紅研究組、許瑞明研究組長期合作獲得的重要成果，得到了科技部973計劃，國家自然科學(xué)基金委重大研究計劃項目和重點(diǎn)項目以及中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）等的資助。4月23日下午，生物物理所召開新聞發(fā)布會宣布了這一成果。
圖1 30nm染色質(zhì)左手雙螺旋結(jié)構(gòu)模型
