冷冻电镜技术的发展推动染色质高级结构的研究

染色质的结构及动态变化在基因转录及表观遗传调控中起了关键作用,但对于30 nm染色质纤维(通常认为是基因组DNA的二级结构)的高级结构组成以及细胞体内是否存在30 nm染色质的组织形式一直存在较大争议。近年来,冷冻电镜三维重构技术发展迅速,为研究30 nm染色质纤维高级结构提供了一个良好的工具,并起了较大的推动作用。该文介绍了本领域相关的一些研究进展。     

染色质的高级结构与调控

真核生物中,DNA作为遗传物质并不是裸露存在的,而是以染色质的形式存储在细胞核中。作为遗传信息的载体,长达数米的基因组DNA被压缩在微米级的细胞核中却能精确地控制生物高度有序的各种生理活动,因此,染色质的空间结构必定具有一定的规律性且高度可控。而30 nm染色质纤维作为从核小体串珠结构到高级染色质结构中间一个关键的结构阶段,在诸多DNA相关的生命活动中起重要调控功能,因此,对其结构及动态调控相关的研究具有重要的生物学意义。现总结近年来30 nm染色质纤维精细结构解析以及染色质结构动态调控方面的一些重要最新进展,同时,也对细胞核内染色质纤维结构的一些基因组学和电镜方面的最新研究进行了讨论和展望。     

综述: 30 nm染色质纤维的结构及调控

真核细胞中,基因组DNA缠绕组蛋白八聚体形成核小体,核小体再经过多层次折叠压缩形成具有高级结构的染色质．过去30多年,科学家对30 nm染色质纤维的结构进行了大量的研究,然而关于30 nm染色质纤维的精细结构仍然存在很大的争议．本文综述了近年来对30 nm染色质纤维结构的最新研究进展,并重点阐述了最近解析的30 nm染色质纤维左 手双螺旋结构．同时,我们还进一步讨论了一些对30 nm染色质纤维结构起调控作用的因子及其作用机制．最后,我们对30 nm染色质纤维结构与功能领域所面临的挑战和问题进行了展望．     

30nm染色质纤维的结构及调控

真核细胞中,基因组DNA缠绕组蛋白八聚体形成核小体,核小体再经过多层次折叠压缩形成具有高级结构的染色质.过去30多年,科学家对30 nm染色质纤维的结构进行了大量的研究,然而关于30 nm染色质纤维的精细结构仍然存在很大的争议.本文综述了近年来对30 nm染色质纤维结构的最新研究进展,并重点阐述了最近解析的30 nm染色质纤维左手双螺旋结构.同时,我们还进一步讨论了一些对30 nm染色质纤维结构起调控作用的因子及其作用机制.最后,我们对30 nm染色质纤维结构与功能领域所面临的挑战和问题进行了展望.     

30 nm染色质的体外组装和电镜分析

真核生物的基因组以染色质的形式存在,染色质在真核生物的基因表达调控及胚胎发育过程中起重要作用,为表观遗传提供一个重要的信息整合平台．染色质的高级结构,特别是 30 nm染色质的动态变化在基因转录沉默和激活过程中起着重要的调控功能．但是目前对30 nm 染色质纤维的组装及其精细结构的认识还十分有限．本文通过体外表达系统,表达未经修饰的组蛋白,并利用克隆构建的601DNA均一重复序列,通过逐步降低盐离子浓度并加入组蛋白H1或镁离子的方法,体外重组均一的30 nm染色质纤维．并利用镀金属、负染色制样和冷冻电镜制样等手段通过透射式电子显微镜(TEM)对30 nm纤维结构的形成原因、组蛋白H1的作用和核小体重复单位(nucleosome repeat lengths,NRLs)长度对30 nm染色质纤维的影响进行研究．研究结果显示在组蛋白H1或二价镁离子存在的情况下,均可形成30 nm染色质纤维．其形成的染色质拓扑结构有所不同．统计分析表明,不同长度核小体重复单位(NRLs)形成的染色质纤维直径有所不同(P < 0.05)．同时,我们得到了较为均一的冷冻电镜样品,为进一步研究30 nm染色质纤维的高级结构及理解体内染色质存在的形式及动态过程打下了较好的基础．     

果蝇多线染色体β异染色质区的螺旋结构(简报)

从1973年发现核小体至今,研究者们对染色质纤维结构和这种纤维组织成染色体的方式进行了广泛而深入的研究。由DNA到核小体到30nm染色质纤维几乎公认是按螺旋方式集缩的,但是有关30nm左右染色质纤维如何压缩形成染色体的高层次结构还没有统一的意见。关于这方面的研究目前已有许多模型。其中,Bak等提出的多级螺旋     

染色质构象调控真核基因的表达

真核基因的表达受到各种顺式调控元件、反式作用因子、染色质DNA以及组蛋白表观遗传修饰等多因素、多层次的调控。染色质三维空间结构的变化在调控真核基因表达方面也发挥了至关重要的作用。染色质构象的变化一方面可以使增强子等调控元件与靶基因相互靠近,从而促进基因表达;同时也可能通过形成空间位阻结构阻碍调控元件作用于靶基因,抑制基因表达。虽然染色质结构变化调控真核基因表达的机制仍缺乏较为精确的分子模型,但在组蛋白修饰、核小体定位、染色体领域以及染色质间相互作用等表观遗传学研究中,已经发现有诸多证据支持染色质构象在真核基因表达调控中的重要地位。文章主要综述了染色质结构及其构象的变化等对真核基因表达调控的影响。     

染色质高级结构与肿瘤转移

染色质高级结构与基因的转录密切相关,但是,关于染色质高级结构的功能以及染色质高级结构如何促进肿瘤的恶性转变仍然是一个悬而未决的科学问题。在国家自然科学基金"细胞编程与重编程的表观遗传机制"重大研究计划项目支持下,刘喆实验室研究了染色质高级结构在基因转录调控和肿瘤转移中的作用及机制,取得了一系列原创性成果:发现了染色质高级结构在多启动子基因不同启动子活性控制中的重要调控作用,发现在实体肿瘤发生发展过程中染色质高级结构发生了显著变化,并以染色质高级结构的变化为着眼点,发现了淋巴细胞特异性的转录调控系统在实体肿瘤转移中的关键作用,提出了实体肿瘤恶性转变的新的研究方向。现围绕"细胞编程与重编程的表观遗传机制"重大研究计划项目资助下刘喆实验室的原创性工作进行综述。     

三维冷冻电镜成像技术成功运用于解析30nm染色质纤维的高分辨率结构

<正>经过多年来的不懈努力,中国科学院生物物理研究所的科学家,在破译"生命信息"的分子机理研究中,取得了重大成果.在这项突破性成果里,朱平研究员和李国红研究员领导的科研团队,利用先进的三维冷冻电子显微镜成像技术,首次解析了30 nm染色质纤维的高分辨率结构,并提出了一种全新的染色质纤维的双螺旋结构模型.2014年4月25日,在     

动物早期胚胎发育中染色质结构的继承和重编程

染色质开放性和染色质三维高级结构在基因表达和调控中发挥着非常重要的作用,广泛参与分化、发育、肿瘤发生等细胞生理过程,是表观遗传研究的热点领域之一。动物胚胎发育起始于终端分化的卵子受精形成全能性的受精卵。在精卵结合的过程中,染色质开放性和染色质三维高级结构发生了剧烈的变化,经历继承、重编程、重新建立的过程,并指导调控受精卵分化发育最终成为多细胞、多器官组织的新生命个体。本文介绍了近年来研究染色质开放性和染色质三维高级结构的实验分析技术手段,染色质结构在动物早期胚胎发育过程中的变化规律及其在早期胚胎发育中的作用,染色质结构与其他表观遗传信息(甲基化、组蛋白修饰等)关系方面的重要研究进展和存在的科学问题,以期为表观遗传调控早期胚胎发育的研究提供参考。     

Biophysical studies of cholesterol effects on chromatin

Changes in chromatin structure regulate gene expression and genome maintenance. Molecules that bind to the nucleosome, the complex of DNA and histone proteins, are key modulators of chromatin structure. Previous work indicated that cholesterol, a ubiquitous cellular lipid, may bind to chromatin in vivo, suggesting a potential function for lipids in modulating chromatin architecture. However, the molecular mechanisms of cholesterol's action on chromatin structure have remained unclear. Here, we explored the biophysical impact of cholesterol on nucleosome and chromatin fibers reconstituted in vitro and characterized in silico the cholesterol binding to the nucleosome. Our findings support that cholesterol assists 10 and 30 nm chromatin formation and induces folding of long chromatin fibers as a result of direct interaction of the cholesterol to six nucleosomal binding sites.     

Structural organization of rat hepatocyte chromatin as visualized in thin frozen sections selectively stained for DNA

We studied the structure of rat hepatocyte chromatin in situ using thin frozen sections selectively stained for DNA after aldehyde fixation. Our results indicate that intranucleolar chromatin is arranged into three different organization levels, confirming the observations on Epon-embedded chromatin. These are: completely extended DNA filaments, with a thickness of approximately 3 nm, clustered in loose, roundish agglomerates, very long fibers with a thickness ranging from 15 to 35 nm and compact chromatin clumps. Both the fibers and the chromatin clumps frequently appeared to be composed of nucleosome-like particles. In the extranucleolar chromatin, agglomerates of extended DNA filaments and long fibers were never visualized. In contrast to data from Epon-embedded chromatin, we noticed that in frozen sections neither the nucleolar nor the extranucleolar compact chromatin appear to be organized into discrete, 20 to 30 nm superordered fibers.     

Nucleosome gaping supports a functional structure for the 30nm chromatin fiber

The biological functions played by the nucleus of eukaryotic cells and especially those involved in cellular differentiation not only depend on the genomic sequence but also on all the proteins which form the nucleo-protein complex named chromatin. The tridimensional organization of this huge polymer involves many structural levels, the most basic one being the nucleosome. Nucleosomes further organize into the so-called 30nm fiber, which, according to recent works, is likely to be the main functional level of chromatin. We wish here to propose a plausible structure for the 30nm chromatin fiber that could explain its functional role. In our model, silenced chromatin is locked by nucleosome stacking interactions. This is achieved by a conformational transition within the nucleosome core particle (NCP) which allows nucleosomes to stack along two helices without bending the DNA linkers. We used molecular modeling to check that this conformational transition was plausible. Then we proposed to modify the well-known two-angle model according to these atomic level results. The emerging picture is an allosteric behavior of the nucleosomes induced by their collective organization within the 30nm chromatin fiber.