3. 染色质左手双螺旋结构的确立
30nm染色质冷冻电镜结构及左手双螺旋结构模型 30nm染色质冷冻电镜结构及左手双螺旋结构模型
长期以来，对多个核小体以何种方式装配形成30nm染色质高级结构，以及该结构受什么因素调控一直是研究者梦寐以求，对生命信息的传承和调控至关重要的信息。正如本研究论文评审人指出的：“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”。这个问题的困难性主要来源于两个方面：第一，细胞核内的染色质结构高度变化，受多种因素的影响，难以获得适合高分辨率结构研究、具有高度均一性的染色质样品；第二，30nm染色质是一个典型的超大分子复合体，对这种超大分子复合体的高分辨率研究缺乏一个系统性的、合适的研究手段和体系，具有极大的技术难度和挑战性。因此，目前对于30nm染色质纤维这一超分子复合体的组装和调控机理的研究还十分有限，对于30nm染色质纤维的精细结构及其结构模型的理解都还十分不确定并具有很大争议。对于第一个方面的困难，研究者通过多年的努力，发现利用体外表达一种具有特殊性质的601DNA和组蛋白八聚体，可以获得适合高分辨率研究的核小体和染色质；同时，通过改变不同的组蛋白修饰、组蛋白变体、不同的连接DNA长度等多种条件可以对各种影响染色质结构及动态变化的复杂因素在体外进行相关研究；对于第二方面的困难，近年来在结构生物学领域蓬勃发展，并在近原子分辨率三维结构重构方面取得重要性突破的一种冷冻电镜三维重构方法为研究30nm染色质的高级结构提供了一个最为合适的工具。
中国科学院生物物理研究所长期从事冷冻电镜高分辨率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发挥各自特长，对这一难题进行了紧密合作和长期攻关。李国红研究组依据多年在30nm染色质和表观遗传学研究方面的长期积累，成功建立了一套染色质体外重建和结构分析平台，获得了适合高分辨率研究的高度均一30nm染色质样品；朱平研究组依靠在冷冻电镜高分辨率结构解析方面的长期积累，利用冷冻电镜单颗粒三维重构方法获得了由12个和24个核小体组成的30nm染色质纤维的高分辨率三维重构结果。这是两个研究组紧密合作，在世界上首次解析的染色质清晰高级结构图。他们解析的结构揭示了30nm染色质纤维以4个核小体为结构单元相互扭曲形成；结构单元的形成和单元之间的扭转由不同方式的作用力介导；四聚核小体结构单元之间的空隙可能是组蛋白修饰、染色质重塑等重要表观遗传现象发生的调控控制区域。同时，他们的研究发现连接组蛋白H1在单个核小体内部及核小体单元之间的不对称分布及相互作用促成30nm高级结构的形成，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。同时，和长期从事X射线晶体学研究的结构生物学家许瑞明研究员研究组合作，他们发现各个四聚核小体单元之间通过相互扭曲折叠成为一个和DNA右手双螺旋类似的左手双螺旋染色质纤维高级结构(图)。这些研究结果对于30nm染色质纤维高分辨率结构精细模型建立这一重大科学难题的破解，以及对于染色质的高级结构组装的分析及表观遗传调控机制的研究是一个重要的突破性进展，并为预测体内染色质结构建立的分子基础以及各种表观遗传因素包括组蛋白变体、组蛋白化学修饰等对染色质结构调控的可能机理提供了可靠的结构基础。