一個(gè)新的時(shí)代正在到來

本刊記者 徐芳芳

“凡物各自有根本，種禾終不生豆苗”，生物的各種性狀皆與基因密切相關(guān)。然而，不同物種的親代與子代之間、子代的個(gè)體之間，卻又絕對(duì)不會(huì)完全相同。一個(gè)高等生物的個(gè)體中，不同類型的細(xì)胞中含有相同的DNA遺傳信息，但是它們卻具有不同的生物學(xué)功能。生物學(xué)中一個(gè)懸而未決但同時(shí)也是最根本的問題是：擁有相似或相同DNA的物種和細(xì)胞是怎樣決定各自不同的命運(yùn)的？2014年4月25日，美國Science雜志以長幅研究論文（Research Article）形式報(bào)道了來自中國科學(xué)院生物物理研究所朱平研究員和李國紅研究員一項(xiàng)關(guān)于30nm染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)解析的重大成果，這一突破為破譯上述“生命信息”建立和調(diào)控的難題向前邁出了重要的一步。

2米與20微米之迷

——一道30年未解的難題

每個(gè)人體細(xì)胞中，基因組DNA長度加起來長達(dá)2米。這么長的基因組DNA到底是如何被“塞”到平均直徑僅有幾微米的細(xì)胞核里去的呢？在現(xiàn)代生物學(xué)的教科書里，這一過程是通過染色質(zhì)分四步折疊來完成的，分別對(duì)應(yīng)著染色質(zhì)的四種結(jié)構(gòu)：第一級(jí)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(jí)結(jié)構(gòu)是核小體進(jìn)一步螺旋化形成30nm螺線管（solenoid），這里6個(gè)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(jí)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(jí)結(jié)構(gòu)就是可以在光學(xué)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)于基因組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(shí)，也是現(xiàn)代生命科學(xué)教科書的經(jīng)典內(nèi)容。但是，由于缺乏一個(gè)系統(tǒng)性的、合適的研究手段和體系，目前對(duì)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(duì)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(jí)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。

相同的遺傳信息不同的細(xì)胞命運(yùn)

——破解“生命信息”之謎

DNA是遺傳信息的載體，但所有有關(guān)DNA的生命活動(dòng)都是在染色質(zhì)這個(gè)結(jié)構(gòu)平臺(tái)上進(jìn)行的。生命體通過表觀遺傳信息調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，有選擇地進(jìn)行基因沉默和基因激活，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、器官和生命體。

通過宏大的“人類基因組計(jì)劃”，科學(xué)家十年前就獲得了人類基因組序列的線性圖譜，但是仍有許多謎團(tuán)未解開——除了眾所周知的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，基因組是如何在三維空間準(zhǔn)確折疊的呢？基因組折疊的方式?jīng)Q定了哪些基因開啟，哪些基因關(guān)閉，因此研究基因組三維結(jié)構(gòu)可以解釋基因組如何運(yùn)作。

中國科學(xué)院生物物理研究所長期從事冷凍電鏡高分辨率三維結(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發(fā)揮各自特長，對(duì)這一難題進(jìn)行了緊密合作和長期攻關(guān)。李國紅研究組依據(jù)多年在30nm染色質(zhì)和表觀遺傳學(xué)研究方面的長期積累，成功建立了一套染色質(zhì)體外重建和分析平臺(tái)，獲得了適合高分辨率結(jié)構(gòu)研究的高度均一的30nm染色質(zhì)樣品。朱平研究組依靠冷凍電鏡高分辨率結(jié)構(gòu)解析方面的長期積累，利用冷凍電鏡單顆粒三維重構(gòu)方法獲得了由12個(gè)和24個(gè)核小體組成的30nm染色質(zhì)纖維的高分辨率三維結(jié)構(gòu)。這是兩個(gè)研究組緊密合作，在世界上首次解析的30nm染色質(zhì)纖維的高清晰結(jié)構(gòu)。

他們解析的結(jié)構(gòu)揭示：30nm染色質(zhì)纖維是以4個(gè)核小體為結(jié)構(gòu)單元相互扭曲形成的左手雙螺旋結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)單元的形成和單元之間的扭轉(zhuǎn)由不同方式的作用力介導(dǎo)；四聚核小體單元之間的空隙可能是組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑等重要表觀遺傳現(xiàn)象發(fā)生的調(diào)控控制區(qū)域。他們的研究還發(fā)現(xiàn)連接組蛋白H1在單個(gè)核小體內(nèi)部及四聚核小體單元之間的不對(duì)稱分布及相互作用促成30nm高級(jí)結(jié)構(gòu)的形成，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。同時(shí)，和長期從事X射線晶體學(xué)研究的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家許瑞明研究員研究組合作，他們發(fā)現(xiàn)30nm染色質(zhì)纖維是由各個(gè)四聚核小體單元之間通過相互扭曲折疊形成的一個(gè)和DNA右手雙螺旋類似的左手雙螺旋高級(jí)結(jié)構(gòu)。

打破“黑箱”開啟未來研究之窗

——橫跨61年的超越

1953年4月25日，英國劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的沃森和克里克在英國雜志Nature上發(fā)表了一篇?jiǎng)潟r(shí)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)，從而開啟了現(xiàn)代分子生物學(xué)時(shí)代，成為20世紀(jì)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。同樣是4月25日，同樣是全球最具影響力的科技期刊之一——Science，朱平研究員及李國紅研究員課題組以長幅研究論文（Research Article）形式發(fā)表了題為“Cryo-EM study of the chromatin fiber reveals a double helix twisted by tetranucleosomal units”的學(xué)術(shù)論文，解析了30nm染色質(zhì)纖維的三維結(jié)構(gòu)，提出了“左手雙螺旋結(jié)構(gòu)”模型?；蛟S是冥冥中注定天意，此時(shí)，距DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)表整整過去61年。

Science編輯部以“Double Helix,Doubled（雙螺旋，無獨(dú)有偶）”為題對(duì)這篇論文進(jìn)行了專門介紹。同時(shí)，來自DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的發(fā)源地—英國劍橋大學(xué)的Andrew Travers教授為此文撰寫了題為“The 30-nm Fiber Redux（30nm纖維的歸來）”的視點(diǎn)評(píng)論。他指出：“30nm染色質(zhì)纖維的精細(xì)分子構(gòu)成是長期、激烈地爭論不休的問題。（本文）結(jié)果明確地界定了染色質(zhì)纖維中DNA的走向，解決了染色質(zhì)到底是單股纖維還是雙股纖維這個(gè)根本性的問題……同時(shí)，這個(gè)模型還解決了另一個(gè)有爭議的問題，即連接組蛋白H1的位置問題……本來似乎已經(jīng)陷入困境的30nm染色質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)研究……又會(huì)重新成為生物學(xué)家們繼續(xù)關(guān)注的焦點(diǎn)?！?/p>

大量研究表明，表觀遺傳調(diào)控機(jī)制是生命現(xiàn)象中的一種普遍存在的調(diào)控方式，涉及生命現(xiàn)象的方方面面。然而，表觀遺傳信息怎樣影響染色質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)則長期以來所知甚少，以至于在眾多文獻(xiàn)中研究者們常常把不能解釋的一些事件歸咎為“該因子以某種方式改變了染色質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)”。染色質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)變化也成了科學(xué)界的一個(gè)“黑箱”，是染色質(zhì)和表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域長期以來的高難度科學(xué)問題。由于30納米染色質(zhì)纖維本身的結(jié)構(gòu)都未被解析，表觀遺傳信息對(duì)其結(jié)構(gòu)乃至更高級(jí)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響更是無從談起。朱平研究員及李國紅研究員課題組在國際上率先打通了30納米染色質(zhì)結(jié)構(gòu)解析的道路，這一重大突破使得科學(xué)家有望成功回答各種染色質(zhì)修飾、染色質(zhì)變體等一系列表觀遺傳信息對(duì)30納米染色質(zhì)纖維的結(jié)構(gòu)影響，這些工作將對(duì)學(xué)科的發(fā)展起到重要的引領(lǐng)作用。

到底是“有其父必有其子”的老話更靠譜，還是“一母生九子，九子各不同”的說法更正確？從生物學(xué)角度來看，二者皆對(duì)，這是我們的“生命信息”載體——染色質(zhì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的必然結(jié)果。有選擇性地進(jìn)行基因的激活和沉默，控制細(xì)胞自我維持或定向分化，決定了我們的個(gè)體發(fā)育和生老病死。染色質(zhì)中蘊(yùn)含著巨大的信息量，隨著它的結(jié)構(gòu)被一步步破解，將使人類對(duì)生命信息和密碼的探尋達(dá)到前所未有的高度。

無疑，一個(gè)新的時(shí)代正在到來。