4. 染色质双螺旋结构发现的科学意义
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，但是每种细胞的表型和功能都不一样。一个重要生物学问题就是具有相同基因组的同一个体中不同功能的各种细胞的命运是如何决定的。虽然十年前科学家就获得了人类基因组序列的线性图谱，但是某些问题我们仍未解开——除了众所周之的DNA双螺旋结构，基因组是如何准确折叠的呢？基因组折叠的方式决定了哪些基因开启，哪些基因关闭，因此研究基因组三维结构可以解释基因组如何运作。最近研究表明细胞命运的决定主要是通过表观遗传机制有选择地进行基因沉默和基因激活来实现的，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，从而形成复杂的组织、器官和生命体。另外，大量研究表明表观遗传调控机制是生命现象中的一种普遍存在的调控方式，涉及生命现象的方方面面，在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中起着决定性的作用。
表观遗传及其调控机制是当今生命科学的一个重要的前沿和热点领域。表观遗传信息被建立后，通常认为并不直接影响转录，而是通过影响染色质高级结构或者在效应蛋白的帮助下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从而实现对基因表达的调控。然而表观遗传信息怎样影响染色质的高级结构则长期以来所知甚少，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”。而染色质的高级结构变化也成了科学界的一个“黑箱”。染色质的高级结构的第一级形态是染色质的30纳米纤维。在教科书中，30纳米纤维被描述为“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。
30nm染色质纤维是由核小体-核小体有序堆积而成。近30年来，30nm染色质纤维结构受到广泛的关注，大量的生物化学和生物物理学技术，如电镜、小角度X-ray散射、中子散射、圆二色谱等被用来研究30nm染色质纤维的结构。鉴于染色质结构的复杂性和研究手段的局限性，目前在染色质的高级结构及调控领域缺乏一个系统性的、合适的研究手段和体系，对于30nm染色质纤维这一超分子复合体的组装、精细结构和调控机理的都不是十分清楚。虽然核小体自身的高分辨晶体结构已被解析，但是目前对于30nm染色质纤维的认识还是相当有限，特别是对30nm染色质纤维精细结构的解析、30nm 染色质纤维的组装和调控机理、及其结构动态变化在基因转录调控中的作用机理的研究还处于起步阶段。因此，30nm染色质纤维的三维结构研究一直是现代分子生物学领域面临的最大的挑战之一。
中国科学院生物物理研究所充分发挥多学科交叉的传统优势，紧紧围绕蛋白质科学领域的基础性、前沿性重大科学问题开展持续深入研究。面向2020年，生物物理研究所明确提出“一个定位、三个重大突破、五个重点培育”的重点发展规划，将“真核膜蛋白和蛋白质复合体结构与功能关系”列为三个重大突破方向之一。设立了“染色质结构和细胞命运决定的机理研究”一三五目标导向团队，组织在染色质功能、表观遗传调控、高分辨率冷冻电镜三维重构、X-射线晶体学等研究领域的研究队伍，增加稳定支持，促进团队成员之间的分工协作。在中国科学院战略性先导科技专项(B类)“生物超大分子复合体的结构、功能与调控”的重点支持下，在中科院蛋白质科学平台(已整体纳入国家蛋白质科学北京设施)的全面支撑下，对30nm染色质高级结构这一重大科学难题展开联合攻关。首次利用冷冻电镜单颗粒三维成像技术解析了由12个核小体和24个核小体组成的30纳米染色质纤维的高级精细结构。这是分子生物学领域内国际领先的突破性前沿成果，为解析人类重要疾病(如肿瘤和衰老)发生和发展的分子机理，探讨重要疾病的治疗及药物研发提供重要的理论指导。
通过以上研究，我们在国际上率先打通了30纳米染色质结构解析的道路，这为该研究团队继续研究表观遗传信息对30纳米染色质结构的影响提供了得天独厚的竞争优势。这一重大突破使得我们研究团队有望成功回答染色质修饰(包括DNA甲基化和组蛋白修饰)、染色质变体组成等一系列表观遗传信息对30纳米染色质纤维的结构影响，这些工作将对学科的发展起到重要的引领作用，从而使我国在染色质三维结构这个领域处于国际领先地位。同时，研究染色质三维结构及其调控机制对于理解细胞增殖、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具有十分重大的意义，对提升我国在干细胞和表观遗传学等领域的研究水平也有促进作用。