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中國(guó)科學(xué)家率先解析30納米染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)

時(shí)間:2014-04-29來(lái)1源:博士人才網(wǎng) 作者:91boshi
你真的了解自己的身體嗎?你知道一個(gè)細(xì)胞中的DNA加起來(lái)有2米長(zhǎng)嗎?這么長(zhǎng)的DNA怎樣被“塞”進(jìn)僅有幾微米大小的細(xì)胞核呢?
 
其實(shí),這也是科學(xué)家想要搞清楚的問(wèn)題。
 
4月25日,美國(guó)《科學(xué)》雜志報(bào)道了中科院生物物理所一項(xiàng)關(guān)于30納米染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)解析的研究成果。這篇研究論文發(fā)表后,一個(gè)塵封30多年的謎題隨之解開(kāi)。
 
和而不同,誰(shuí)搞的鬼?
 
每個(gè)細(xì)胞都是從單個(gè)受精卵細(xì)胞發(fā)育分化而來(lái),具有相同的遺傳信息。然而,人體卻有著200多種不同的細(xì)胞,它們的形態(tài)和生理功能千差萬(wàn)別。
 
更有意思的是,西班牙和美國(guó)科學(xué)家于2009年分析了一對(duì)同卵雙胞胎的全基因組,發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)人的基因正常,另一個(gè)人卻患有一種與遺傳有關(guān)的疾病——紅斑狼瘡。
 
原來(lái),雖然DNA被人們稱(chēng)為遺傳信息的載體,但DNA在生命體內(nèi)并不是獨(dú)立存在的,任何遺傳信息的傳遞和調(diào)控等生命活動(dòng)都是在DNA與其纏繞的蛋白質(zhì)所形成的染色質(zhì)這個(gè)“生命信息載體”上進(jìn)行的。
 
生命體正是通過(guò)調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu),特別是30納米染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的變化,選擇性地“打開(kāi)”或者“關(guān)閉”基因,最終決定每個(gè)細(xì)胞的不同“命運(yùn)”。這種現(xiàn)象就是近年來(lái)在生物學(xué)領(lǐng)域大熱的表觀遺傳調(diào)控。
 
不過(guò),染色質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)變化卻像一個(gè)“黑箱子”,科學(xué)界對(duì)此一直沒(méi)有搞清楚。因此,在很多文獻(xiàn)中,研究者只好把一些不能解釋的現(xiàn)象模糊地歸咎為“該因子以某種方式改變了染色質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)”。
 
“長(zhǎng)期以來(lái),30納米染色質(zhì)結(jié)構(gòu)一直是染色質(zhì)和表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域的‘老大難’問(wèn)題。”生物物理所研究員李國(guó)紅說(shuō),結(jié)構(gòu)都未被解析,表觀遺傳信息對(duì)其結(jié)構(gòu)乃至更高級(jí)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響就更無(wú)從談起了。
 
可李國(guó)紅也很清楚,只有啃下這塊“硬骨頭”,人類(lèi)在認(rèn)識(shí)自己的道路上才能走得更遠(yuǎn)。
 
點(diǎn)亮生命密碼
 
但這一切談何容易。結(jié)構(gòu)生物學(xué)中常用的X射線晶體、核磁共振等方法,面對(duì)30納米染色質(zhì)纖維這樣一個(gè)超大分子復(fù)合體都顯得無(wú)能為力。由于缺乏系統(tǒng)性的、合適的研究手段和體系,近30年來(lái),30納米染色質(zhì)纖維高級(jí)結(jié)構(gòu)研究一直是現(xiàn)代分子生物學(xué)領(lǐng)域面臨的最大挑戰(zhàn)之一。
 
然而,生物物理所研究員朱平的加入,為這項(xiàng)研究帶來(lái)了新希望。朱平的專(zhuān)長(zhǎng)是冷凍電鏡三維結(jié)構(gòu)研究,他與長(zhǎng)期從事30納米染色質(zhì)及表觀遺傳調(diào)控研究的李國(guó)紅發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì),搭建了一套染色質(zhì)體外重建和結(jié)構(gòu)分析平臺(tái)。
 
“冷凍電鏡的原理其實(shí)二三十年前就有了,但直到最近幾年才有了比較大的發(fā)展,它是研究這類(lèi)超大分子復(fù)合體結(jié)構(gòu)最合適的手段。”朱平介紹說(shuō),生物物理所于2010年建成了世界一流的冷凍電鏡研究平臺(tái),科學(xué)家也就有了破解30納米染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的“金剛鉆”。
 
這一研究的另一大難題是樣品的制備。在人體內(nèi),任何環(huán)境細(xì)微的變化都會(huì)引起30納米染色質(zhì)的很大變化,在體外環(huán)境下就更難得到高度均一的樣品。為此,李國(guó)紅設(shè)計(jì)了一種體外自組裝方法,精確控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境,使其盡可能與體內(nèi)環(huán)境接近,最終成功制備出合格的樣品。
 
終于,中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上率先解析了30納米染色質(zhì)的高清晰三維結(jié)構(gòu):30納米染色質(zhì)纖維以4個(gè)核小體為結(jié)構(gòu)單元,各單元之間通過(guò)相互扭曲折疊形成一個(gè)左手雙螺旋的高級(jí)結(jié)構(gòu)。
 
“在現(xiàn)代生物學(xué)教科書(shū)中,30納米染色質(zhì)纖維一直被描述為由6個(gè)核小體組成的中空螺線管。”中科院前沿科學(xué)與教育局局長(zhǎng)許瑞明說(shuō),因此這項(xiàng)成果是一項(xiàng)可以寫(xiě)進(jìn)教科書(shū)的成果。
 
迷人的雙螺旋
 
歷史總是充滿(mǎn)了巧合。1953年4月25日,沃森和克里克在英國(guó)《自然》雜志上發(fā)表了一篇?jiǎng)潟r(shí)代的論文,向世界宣告DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的存在,成為20世紀(jì)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。
 
無(wú)獨(dú)有偶,此次中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)也是一種雙螺旋。朱平認(rèn)為,雙螺旋結(jié)構(gòu)“十分穩(wěn)定,它在生命的傳承與調(diào)控中可能起到了非常重要的作用”。
 
而這次成果的產(chǎn)出也是兩個(gè)團(tuán)隊(duì)、兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室通力合作的結(jié)果。生物物理所所長(zhǎng)徐濤認(rèn)為,這次重大成果的取得得益于幾個(gè)因素的不斷完善。“30納米染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)是研究所確立的3個(gè)重大突破之一,而圍繞國(guó)際一流的科學(xué)問(wèn)題,我們組建了國(guó)際一流的研究團(tuán)隊(duì),建設(shè)國(guó)際一流的科技條件平臺(tái),也一直在探索國(guó)際一流的體制機(jī)制。”
 
中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)也給了科學(xué)家自由探索的空間。在今年3月17日啟動(dòng)的“生物超大分子復(fù)合體的結(jié)構(gòu)、功能與調(diào)控”先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)以及科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委等的支持下,李國(guó)紅和朱平等對(duì)30納米染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)這一重大科學(xué)難題展開(kāi)聯(lián)合攻關(guān),最終在國(guó)際上率先打通30納米染色質(zhì)結(jié)構(gòu)解析的通道。
 
“如果沒(méi)有近些年國(guó)家對(duì)科研的強(qiáng)力支持,沒(méi)有生物物理所的科研環(huán)境,沒(méi)有兩個(gè)團(tuán)隊(duì)毫無(wú)保留的合作,我們可能很難作出這樣的成果。”朱平盼望著他與李國(guó)紅結(jié)成的“雙螺旋”組合,還可以向更廣、更深的領(lǐng)域進(jìn)發(fā),破譯更多的生命密碼。

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