研究人員利用冷凍電子斷層掃描技術(shù)以前所未有的精度觀測(cè)染色質(zhì)凝聚體，揭示了DNA在細(xì)胞內(nèi)的壓縮機(jī)制。

將六英尺（約1.8米）長(zhǎng)的DNA塞進(jìn)比人類(lèi)發(fā)絲更細(xì)的細(xì)胞核 —— 這或許是生命最極致的空間壓縮奇跡。而生物學(xué)每分每秒都在以工程師夢(mèng)寐以求的精度實(shí)現(xiàn)著這種遺傳物質(zhì)的壓縮。DNA纏繞蛋白質(zhì)形成核小體，這些結(jié)構(gòu)如同串珠般連接。這些"珠串"進(jìn)一步折疊成染色質(zhì)纖維，最終構(gòu)筑成細(xì)胞核的致密空間結(jié)構(gòu)。

但多年來(lái)有個(gè)謎團(tuán)始終未解：染色質(zhì)如何在高度壓縮的同時(shí)保持功能活性？

窺探液滴內(nèi)部

2019年，德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心邁克爾·羅森團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室中合成的核小體可以融合成無(wú)膜液滴狀凝聚體。這種類(lèi)似油滴在水中的相分離現(xiàn)象，可能模擬了染色質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的壓縮機(jī)制。要真正理解這些液滴的物理結(jié)構(gòu)和特性，科學(xué)家需要透視其內(nèi)部——這意味著必須對(duì)凝聚體內(nèi)的單個(gè)染色質(zhì)纖維和核小體進(jìn)行成像，而這正是此前所有團(tuán)隊(duì)未能實(shí)現(xiàn)的突破。

如今，來(lái)自德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心、加州大學(xué)圣地亞哥分校、劍橋大學(xué)及霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所珍妮莉亞研究園區(qū)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，成功捕獲了合成染色質(zhì)凝聚體內(nèi)部分子迄今最清晰圖像。借助珍妮莉亞園區(qū)的前沿成像技術(shù)，團(tuán)隊(duì)首次觀測(cè)到染色質(zhì)纖維和核小體在這些液滴結(jié)構(gòu)中的排布方式，并將相同技術(shù)應(yīng)用于天然細(xì)胞染色質(zhì)研究。

冷凍-減薄-成像三部曲

團(tuán)隊(duì)采用冷凍電子斷層掃描技術(shù)，該技術(shù)能在近天然狀態(tài)下生成生物分子的三維重構(gòu)圖像。研究首先將樣本速凍至零下180攝氏度，固定所有分子位置；隨后運(yùn)用冷凍聚焦離子束研磨技術(shù)，將樣本切割成100納米厚度的超薄切片；最后通過(guò)冷凍電鏡從多角度捕獲每一切片的數(shù)十幅投影圖像，經(jīng)計(jì)算處理拼接成凝聚體及其分子排布的三維高清圖譜。

結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬與光學(xué)顯微鏡數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)繪制出染色質(zhì)纖維相互作用形成液滴網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)圖景。研究發(fā)現(xiàn)，連接核小體的"接頭DNA"長(zhǎng)度對(duì)纖維在凝聚體內(nèi)的組織方式起關(guān)鍵作用。這些結(jié)構(gòu)特征解釋了為何某些染色質(zhì)類(lèi)型更容易發(fā)生相分離，以及不同凝聚體為何呈現(xiàn)差異化的材料特性。

團(tuán)隊(duì)同時(shí)證實(shí)，合成凝聚體高度模擬了細(xì)胞內(nèi)DNA的真實(shí)壓縮狀態(tài)。"這項(xiàng)研究首次將單個(gè)分子結(jié)構(gòu)與凝聚體的宏觀特性關(guān)聯(lián)起來(lái)，"羅森表示，"我們確信這只是冰山一角。"論文第一作者周懷斌補(bǔ)充說(shuō)："理解凝聚體行為有助于揭示異常凝聚如何導(dǎo)致疾病。通過(guò)這項(xiàng)研究，我們將更深入理解病理性的異常凝聚過(guò)程。"

該成果為研究基因調(diào)控、應(yīng)激反應(yīng)和細(xì)胞組織中的其他生物分子凝聚體提供了全新框架，將幫助科學(xué)界揭示這些無(wú)膜液滴如何維持細(xì)胞功能，以及功能失常時(shí)引發(fā)的后果。

相關(guān)研究發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》期刊。

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