30nm染色质纤维高级结构的研究进展_董立平.pdfVIP

Chinese Journal of Nature Vol. 36 No. 4 PROGRESS doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2014.04.006 30 nm染色质纤维高级结构的研究进展 ① ② ③ 董立平 陈萍 李国红 ①博士研究生，②副研究员，③研究员，中国科学院生物物理研究所生物大分子国家重点实验室，北京100101 关键词 30 nm染色质纤维；螺线管模型；Z字结构模型；左手双螺旋；冷冻电镜技术；核小体；组蛋白H1 摘要 真核生物的遗传物质DNA以染色质形式通过逐级折叠压缩存在于细胞核中。DNA缠绕组蛋白八聚体形成核小 体，相邻的核小体由连接DNA串联起来形成染色质的一级结构：核小体串珠结构(beads on a string)。一级结构 - - - 进一步折叠形成30 nm染色质纤维。近30多年来，30 nm染色质纤维高级结构的解析一直是困扰分子生物学家们的 一大难题。研究者利用电镜和X射线晶体学等生物物理学方法对30 nm染色质纤维结构进行研究，提出30 nm结构 的两大模型：螺线管(solenoid)模型和Z字结构(zig-zag)模型。笔者综述了30 nm染色质纤维结构解析方面的研究 进展，并着重阐述最近利用冷冻电镜方法解析的30 nm染色质结构，即以四个核小体为结构单元的左手双螺旋结构 模型，最后对30 nm染色质纤维在体内是否存在，以及它在表观遗传调控中可能发挥的重要作用等问题进行了讨论 和展望。 1953年4 月25 日，《Nature 》杂志刊登了由 一种生物细胞核中全部染色体上遗传物质 [1] 的总和称为基因组(genome) 。人的基因组含 Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构模型 ， 这一研究成果可以跟达尔文的进化论相媲美， 有大概30亿个碱基对(bp) ，将这些碱基对串联 是生物学界的一次重要革命。61 年后的同一 成一条DNA绳子，其长度大概是2 m 。这样长 天，2014年4 月25 日，《Science》杂志以长篇研 的DNA 要想存在于几个微米大小的细胞核中 究论文的形式发表了中国科学家在30 nm染色质 就需要染色质的逐级折叠和压缩。在现代生 纤维高级结构方面的成果，揭示30 nm染色质纤 物学的教科书中，对于这个过程的描述通常是 维高级结构是以四个核小体为结构单元的左手 分如下四步完成的，分别对应着染色质的四级 [2] 结构：第一级结构是11 nm核小体串珠结构， 双螺旋结构 。 那么，什么是30 nm染色质纤维呢？1882 它是DNA 双螺旋 “绳子”缠绕在组蛋白上形 年，德国细胞学家Flemming 在研究细胞分裂 成的，相邻核小体之间由连接DNA 相连；第 时，发现细胞核中有易被碱性染料染色的物质， 二级结构是核小体串珠在连接组蛋白H1 的存 将其命名为染色质。之后德国解剖学家Waldeyer 在下，缠绕形成螺线管状的粗丝，即螺线管， 在1888年将染色质命名为染色体。在细胞分裂间 每一螺旋包含6 个核小体，其压缩比为6 ；第 期，电镜观察发现核内的染色质是一种细微纤 三级结构是由螺线管再进一步螺旋化成为直径 丝，当细胞进入有丝分裂时，则形成高度浓缩的 为400 nm 的超螺旋体，由30 nm 螺线管缠绕形 染色体。因此，染色质和染色体是同一物质在细 成，压缩比为40 ；第四级结构就是可以在显微 胞不同时期的不同状态。 镜下看到的染色体，它是由超螺旋体进一步压 274