61年前,科學(xué)家沃森和克里克發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu),揭開了遺傳信息如何傳遞這個(gè)“生命之謎”。中國(guó)科學(xué)家25日宣布,他們發(fā)現(xiàn)了基因組“生命信息載體”的第二種雙螺旋結(jié)構(gòu),即利用冷凍電鏡單顆粒三維重構(gòu)技術(shù),在世界上首次解析了30納米染色質(zhì)的高清晰三維左手雙螺旋高級(jí)結(jié)構(gòu)。
由中科院生物物理所研究員朱平團(tuán)隊(duì)、李國(guó)紅團(tuán)隊(duì)和許瑞明團(tuán)隊(duì)合作完成的這項(xiàng)研究論文發(fā)表在25日出版的美國(guó)《科學(xué)》雜志上,被評(píng)審人評(píng)價(jià)為“解決了一個(gè)困擾科學(xué)界30余年的最基本的分子生物學(xué)問(wèn)題”,“在理解染色質(zhì)如何裝配這個(gè)問(wèn)題上邁出了重要的一步”。
我們每一個(gè)個(gè)體都有200多種不同細(xì)胞,這些細(xì)胞從單個(gè)受精卵細(xì)胞發(fā)育分化而來(lái),具有相同的遺傳信息,為什么它們的形態(tài)和生理功能卻大相徑庭呢?
“這個(gè)問(wèn)題的答案與‘生命信息載體’——染色質(zhì)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化及調(diào)控機(jī)制緊密相關(guān)。”李國(guó)紅說(shuō),但數(shù)十年來(lái),染色質(zhì)的三維空間結(jié)構(gòu)始總是科學(xué)界的一個(gè)“黑箱”。生命體發(fā)育過(guò)程中每一個(gè)細(xì)胞的“命運(yùn)”是如何決定的,以及人體的衰老、腫瘤等疾病的發(fā)生與染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化和失調(diào)有什么關(guān)系等問(wèn)題的研究都因?yàn)槿狈θ旧|(zhì)的高級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)信息而遇到了不同程度的困擾。
據(jù)介紹,人體的一根DNA“繩子”長(zhǎng)度約2米,要安放在直徑只有幾個(gè)微米的細(xì)胞核里,必須以某種方式“折疊”起來(lái)。科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn),這個(gè)過(guò)程是分4步完成的,對(duì)應(yīng)著染色質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu):第一級(jí)結(jié)構(gòu)是核小體;第二級(jí)結(jié)構(gòu)是核小體螺旋化形成30納米染色質(zhì)纖維;30納米染色質(zhì)再進(jìn)一步折疊成更為復(fù)雜的染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu),即超螺旋體;超螺旋體進(jìn)一步折疊就形成在光學(xué)顯微鏡下可以看到的染色體。
此前,研究人員僅于1997年解析出了核小體的高精度結(jié)構(gòu),對(duì)多個(gè)核小體以何種方式裝配形成30納米染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)則一直沒有答案。李國(guó)紅、朱平等經(jīng)過(guò)多年努力,成功建立了一套染色質(zhì)體外重建和結(jié)構(gòu)分析平臺(tái),利用冷凍電鏡單顆粒三維重構(gòu)技術(shù),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)。
“我們發(fā)現(xiàn)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)左手雙螺旋高級(jí)結(jié)構(gòu)。同時(shí),我們也首次明確了連接組蛋白H1在30納米染色質(zhì)纖維形成過(guò)程中的重要作用。”朱平說(shuō)。
專家表示,這項(xiàng)突破性成果具有重大科學(xué)意義,對(duì)于理解個(gè)體的衰老和發(fā)育異常,如腫瘤、糖尿病、精神病及神經(jīng)系統(tǒng)疾病等復(fù)雜疾病的發(fā)生發(fā)展等都起著關(guān)鍵性的作用,將為探討重要疾病的治療及藥物研發(fā)提供重要的理論指導(dǎo)。
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