一個新的時代正在到來

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。然而，不同物種的親代與子代之間、子代的個體之間，卻又絕對不會完全相同。一個高等生物的個體中，不同類型的細胞中含有相同的DNA遺傳信息，但是它們卻具有不同的生物學功能。生物學中一個懸而未決但同時也是最根本的問題是：擁有相似或相同DNA的物種和細胞是怎樣決定各自不同的命運的？2014年4月25日，美國Science雜志以長幅研究論文（Research Article）形式報道了來自中國科學院生物物理研究所朱平研究員和李國紅研究員一項關于30nm染色質高級結構解析的重大成果，這一突破為破譯上述“生命信息”建立和調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

每個人體細胞中，基因組DNA長度加起來長達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胞核里去的呢？在現代生物學的教科書里，這一過程是通過染色質分四步折疊來完成的，分別對應著染色質的四種結構：第一級結構是核小體，它是DNA雙螺旋“繩子”纏繞在組蛋白上而形成的；第二級結構是核小體進一步螺旋化形成30nm螺線管（solenoid），這里6個核小體組成一圈形成中空結構的管狀螺旋體，即30nm染色質纖維；第三級結構是由螺線管再進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；第四級結構就是可以在光學顯微鏡下看到的染色體，它是由超螺旋體進一步折疊盤繞成的。通過以上四步，DNA的長度被凝縮了8400倍左右。

以上關于基因組DNA的凝縮模型是目前科學界關于DNA、染色質和染色體組成的基本認識，也是現代生命科學教科書的經典內容。但是，由于缺乏一個系統性的、合適的研究手段和體系，目前對于30nm染色質纖維這一超大分子復合體的組裝和調控機理的研究還十分有限，對于它的精細結構組成也具有很大爭議。近30多年來，30nm染色質纖維高級結構研究一直是現代分子生物學領域面臨的最大挑戰之一。

相同的遺傳信息不同的細胞命運

——破解“生命信息”之謎

DNA是遺傳信息的載體，但所有有關DNA的生命活動都是在染色質這個結構平臺上進行的。生命體通過表觀遺傳信息調控染色質結構的動態變化，有選擇地進行基因沉默和基因激活，從而控制細胞自我維持或定向分化，決定細胞的組織特異性和細胞命運，進而形成復雜的組織、器官和生命體。

通過宏大的“人類基因組計劃”，科學家十年前就獲得了人類基因組序列的線性圖譜，但是仍有許多謎團未解開——除了眾所周知的DNA雙螺旋結構，基因組是如何在三維空間準確折疊的呢？基因組折疊的方式決定了哪些基因開啟，哪些基因關閉，因此研究基因組三維結構可以解釋基因組如何運作。

中國科學院生物物理研究所長期從事冷凍電鏡高分辨率三維結構研究的朱平研究員和長期從事30nm染色質及表觀遺傳調控研究的李國紅研究員發揮各自特長，對這一難題進行了緊密合作和長期攻關。李國紅研究組依據多年在30nm染色質和表觀遺傳學研究方面的長期積累，成功建立了一套染色質體外重建和分析平臺，獲得了適合高分辨率結構研究的高度均一的30nm染色質樣品。朱平研究組依靠冷凍電鏡高分辨率結構解析方面的長期積累，利用冷凍電鏡單顆粒三維重構方法獲得了由12個和24個核小體組成的30nm染色質纖維的高分辨率三維結構。這是兩個研究組緊密合作，在世界上首次解析的30nm染色質纖維的高清晰結構。

他們解析的結構揭示：30nm染色質纖維是以4個核小體為結構單元相互扭曲形成的左手雙螺旋結構；結構單元的形成和單元之間的扭轉由不同方式的作用力介導；四聚核小體單元之間的空隙可能是組蛋白修飾、染色質重塑等重要表觀遺傳現象發生的調控控制區域。他們的研究還發現連接組蛋白H1在單個核小體內部及四聚核小體單元之間的不對稱分布及相互作用促成30nm高級結構的形成，首次明確了連接組蛋白H1在30nm染色質纖維形成過程中的重要作用。同時，和長期從事X射線晶體學研究的結構生物學家許瑞明研究員研究組合作，他們發現30nm染色質纖維是由各個四聚核小體單元之間通過相互扭曲折疊形成的一個和DNA右手雙螺旋類似的左手雙螺旋高級結構。

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，英國劍橋大學卡文迪許實驗室的沃森和克里克在英國雜志Nature上發表了一篇劃時代的論文，向世界宣告他們發現了DNA的雙螺旋結構，從而開啟了現代分子生物學時代，成為20世紀最偉大的科學發現之一。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）形式發表了題為“Cryo-EM study of the chromatin fiber reveals a double helix twisted by tetranucleosomal units”的學術論文，解析了30nm染色質纖維的三維結構，提出了“左手雙螺旋結構”模型。或許是冥冥中注定天意，此時，距DNA雙螺旋結構的發表整整過去61年。

Science編輯部以“Double Helix,Doubled（雙螺旋，無獨有偶）”為題對這篇論文進行了專門介紹。同時，來自DNA雙螺旋結構模型的發源地—英國劍橋大學的Andrew Travers教授為此文撰寫了題為“The 30-nm Fiber Redux（30nm纖維的歸來）”的視點評論。他指出：“30nm染色質纖維的精細分子構成是長期、激烈地爭論不休的問題。（本文）結果明確地界定了染色質纖維中DNA的走向，解決了染色質到底是單股纖維還是雙股纖維這個根本性的問題……同時，這個模型還解決了另一個有爭議的問題，即連接組蛋白H1的位置問題……本來似乎已經陷入困境的30nm染色質纖維結構研究……又會重新成為生物學家們繼續關注的焦點。”

大量研究表明，表觀遺傳調控機制是生命現象中的一種普遍存在的調控方式，涉及生命現象的方方面面。然而，表觀遺傳信息怎樣影響染色質的高級結構則長期以來所知甚少，以至于在眾多文獻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的高級結構”。染色質的高級結構變化也成了科學界的一個“黑箱”，是染色質和表觀遺傳學領域長期以來的高難度科學問題。由于30納米染色質纖維本身的結構都未被解析，表觀遺傳信息對其結構乃至更高級染色質結構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納米染色質結構解析的道路，這一重大突破使得科學家有望成功回答各種染色質修飾、染色質變體等一系列表觀遺傳信息對30納米染色質纖維的結構影響，這些工作將對學科的發展起到重要的引領作用。

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？從生物學角度來看，二者皆對，這是我們的“生命信息”載體——染色質結構動態變化的必然結果。有選擇性地進行基因的激活和沉默，控制細胞自我維持或定向分化，決定了我們的個體發育和生老病死。染色質中蘊含著巨大的信息量，隨著它的結構被一步步破解，將使人類對生命信息和密碼的探尋達到前所未有的高度。

無疑，一個新的時代正在到來。