争鸣 | 探微原位染色质高级结构

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在真核细胞中，染色质（chromatin）是一种高度动态的核酸蛋白复合物，它不仅可以储存遗传信息，而且还参与基因的表达调控、DNA的复制和损伤修复等活动。组成染色质的基本单位是核小体（nucleosome），它是由核心组蛋白（H2A，H2B，H3和H4）形成八聚体、被约147bp的DNA缠绕组成。实际上，人类细胞内有约2米长的DNA，如何将这2米长的DNA有功能地“塞”进直径不足10微米的核内，暗示着核小体可能会被继续组装成具有更高级结构的染色质。

关于染色质高级结构，争论从未停止。之前研究人员发现，在体外存在组蛋白H1的情况下，核小体串珠会被进一步压缩形成30纳米染色质结构。30纳米染色质结构目前存在两种主流的模型，即“之字形（Zigzag）”和“螺线管（Solenoid）”。“之字形（Zigzag）”模型也被称为双起点（two-start）纤维模型，表明核小体与相对笔直的DNA连接体来回曲折（图1下）；而“螺线管（Solenoid）”模型也被称为单起点（one-start）纤维模型，表明核小体沿着螺旋轴线性堆叠产生螺旋结构，其中连接体DNA弯曲连接相邻核小体（图1上）。但在细胞内是否真的存在30纳米的染色质纤维仍存在争议，因为至今仍未在细胞内完整地观察到这种结构。受限于实验材料和观测技术，原位染色质高级结构研究仍具有挑战性。

图1

近期，关于原位染色质高级结构的研究有了新进展。2023年9月13日，来自中国科学院生物物理研究所的朱平课题组在Cell Reports杂志发表了《Cryo-ET study from in vitro to in vivo revealed a general folding mode of chromatin with two-start helical architecture》，该研究通过体外组装、体内提取和原位切片等方式，发现染色质纤维具有普遍存在的双起点之字形（two-start zigzag）结构，即使体内复杂环境会导致染色质组分的异质性，但局部仍存在着上述折叠结构。然而，2023年10月10日，来自牛津大学的章佩君课题组在Nature Communications杂志发表了《Structure of native chromatin fibres revealed by Cryo-ET in situ》，该研究描绘了在人T淋巴母细胞内原位染色质纤维的高级结构，发现染色质并非均一的30纳米单起点（one-start）或双起点（two-stat）纤维，而是由DNA连接的核小体形成的松散可变的之字形（zigzag）结构。

图2

朱平课题组长期利用冷冻电镜技术探究染色质高级结构。在最近的研究中，他们结合冷冻聚焦离子束超薄切片（cryo-FIB）和冷冻电子断层三维成像（cryo-ET）方法，选取了蛙血红细胞作为实验材料，对原位染色质高级结构进行了探究。他们发现蛙血红细胞染色质纤维中存在着双起点（two-start）亚单元结构（图2A），冷冻电子断层三维成像结合亚单元结构平均（STA，Sub-Tomo Average）的结果显示虽然该亚单元的整体扭转较小，类似较为平行的梯状结构，但仍符合双起点之字形（two-start zigzag）的排列规律（图2E）。他们利用电压相位板（VPP）衬度增强等方法，首次在细胞核内未染色条件下观察到了染色质纤维内相邻核小体之间linker DNA轨迹的zigzag模式（图3A、B），并提出了染色质纤维结构的NRL（nucleosome repeat length）影响异质性排布的模型（图3C）。

图3

章佩君课题组选取人T淋巴母细胞作为实验材料，利用cryo-FIB和cryo-ET技术，重构出原位的靠近核膜的异染色质区域图像（tomogram）（图4a）。通过直接观测以及成对核小体距离角度统计（图4f），指出天然染色质高度灵活可变，并非稳定均一的30纳米纤维结构。他们进而利用STA重构出分辨率为12埃的核小体结构，发现既存在含有H1和linker DNA的核小体，也存在不含H1和linker DNA的核小体，且这两类核小体在分布上并无空间偏好（图5a、b）。事实上，他们也观察到在染色质局部确实存在着核小体排布类似之字形（zigzag）结构（图5c、d）。他们最终得出结论，天然染色质中绝大多数核小体由直接的linker DNA连接，形成灵活松散的之字形（zigzag）结构。这种结构在功能上有利于基因组转录、适应细胞压力等各种生物学过程。

图4

图5

上述两个课题组均利用cryo-ET技术研究了原位染色质高级结构，但天然染色质高度致密且异质性强，在样品制备和电镜观察上仍面临挑战。关于30纳米染色质纤维结构在体内是否存在的争论，可能仍然会持续下去，但确实观察到体内存在之字形（zigzag）结构排布。他们的研究将为之后的染色质高级结构探索提供借鉴意义。

参考文献

参考文献

1. Li Y, Zhang H, Li X, Wu W, Zhu P. Cryo-ET study from in vitro to in vivo revealed a general folding mode of chromatin with two-start helical architecture. Cell Rep. 2023;42(9):113134. doi:10.1016/j.celrep.2023.113134

2. Hou Z, Nightingale F, Zhu Y, MacGregor-Chatwin C, Zhang P. Structure of native chromatin fibres revealed by Cryo-ET in situ. Nat Commun. 2023;14(1):6324. Published 2023 Oct 10. doi:10.1038/s41467-023-42072-1

3. Song F, Chen P, Sun D, et al. Cryo-EM study of the chromatin fiber reveals a double helix twisted by tetranucleosomal units. Science. 2014;344(6182):376-380. doi:10.1126/science.1251413

供稿 | 刘府金

审稿 | 朱盎岐

责编 | 囡囡

排版 | 可洲

微信号：FRCBS-THU

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