冷冻电镜技术在表观遗传学研究中的应用

染色质装配、修饰和重塑复合体,以及它们和核小体、染色质等一起形成的超大分子复合体的精细结构解析,对于在原子水平揭示表观遗传信息建立、维持和调控的分子机制至关重要.近年来,迅速发展的冷冻电镜三维重构技术对于解析这些多亚基、大分子质量、柔性超大分子复合体的结构带来了很好的机遇.本文综述了冷冻电镜三维重构技术在表观遗传学相关的结构研究领域中的一些应用和进展.     

生物三维电子显微学进入全新高速发展时期

生物三维电子显微学主要由三个部分组成——电子晶体学、单颗粒技术和电子断层成像术,其结构解析对象的尺度范围介于x射线晶体学与光学显微镜之间,适合从蛋白质分子结构到细胞和组织结构的解析。以冷冻电镜技术与三维重构技术为基础的低温电子显微学代表了生物电子显微学的前沿。低温单颗粒技术对于高度对称的病毒颗粒的解析最近已达到3．8A分辨率,正在成为解析分子量很大的蛋白质复合体高分辨结构的有效技术手段。低温电子断层成像技术目前对于真核细胞样品的结构解析已达到约40A的分辨率,在今后5年有望达到20A。这样,把x射线晶体学、NMR以及电镜三维重构获得的蛋白质分子及复合体的高分辨率的结构,锚定到较低分辨率的电子断层成像图像中,从而在细胞水平上获得高精确的蛋白质空间定位和原子分辨率的蛋白质相互作用的结构信息。这将成为把分子水平的结构研究与细胞水平的生命活动衔接起来的可行途径。     

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。     

招聘启事

<正>生化与细胞所丛尧研究组招聘博士后丛尧研究组主要应用冷冻电镜(cryo-EM)技术从事蛋白质质量控制及表观遗传中重要生物超大分子复合体的结构与功能研究(介绍见http://www.sibcb.ac.cn/Pl.asp?id=141)。现因工作需要,面向社会公开招聘博士后研究人员1名。所在的国家蛋白质科学中心·上海配备一流的冷冻电镜设施,包括配有直接     

封面故事

<正>电子显微镜三维重构技术近年来有了飞速的发展,已逐渐成为研究生物大分子复合体三维结构的重要手段。电子晶体学、单颗粒三维重构技术和电子断层技术是电子显微     

结构生物学研究方法的重大突破——电子直接探测相机在冷冻电镜中的应用

近年来,科学家应用冷冻电镜技术(cryo-EM)解析出了低对称性生物大分子的高分辨率(3~5魡)三维结构,并用其密度图直接进行了分子建模。与传统的X-射线和NMR方法相比,冷冻电镜技术具有适用于分子量较大的生物分子、样品不需结晶且用量很少等优势。尤其是电子直接探测相机(electron direct detection device,DDD)在冷冻电镜技术中的应用,使高分辨率的结构研究变得更加简单、应用更为广泛,是一个重大突破。文章介绍DDD相机的原理和技术优势,及其在解决冷冻电镜技术困难中的一些应用,进而展望了DDD相机可能给冷冻电镜技术应用带来的突破性进展。     

冷冻电镜单颗粒三维重构密度掩模的自动生成方法研究

冷冻电镜单颗粒三维重构技术是用来解析生物大分子三维结构的常用方法.然而目前在单颗粒三维重构过程中,溶剂平滑操作还存在一定缺陷:没有一款主流的单颗粒三维重构程序能够自动寻找掩模(mask)三维密度图,使得三维重构过程难免受到噪音统计学模型计算偏差的干扰.为解决这一问题,本研究借鉴X射线晶体学中解析优化相位所广泛采用的溶剂平滑方法,采用高斯滤波、坎尼边缘检测、最小误差阈值处理等方法处理重构所得三维密度图,优化溶剂平滑操作,发展在单颗粒三维重构过程中自动寻找mask三维密度图的方法.运用三维密度图傅里叶壳层相关系数(fourier shell correlation,FSC)曲线图、模拟颗粒数据重构角度误差散点图等指标评估此方法的效果.结果表明,自动寻找mask密度图的方法能够较好地找到涵盖分子结构信号区域的mask密度图,较为明显提高三维重构所得密度图分辨率.     

单颗粒电子显微学的研究进展

单颗粒电子显微学是一种新型的结构生物学技术和方法,一方面,其解析生物大分子复合体结构的分辨率日益提高,可以达到近原子分辨率,提供大蛋白分子或复合体的精细结构;另一方面,还可以解析生物大分子在不同功能状态下的结构及变化,对于揭示生物大分子复合体结构的作用机理具有重要作用。本文就单颗粒电子显微学的研究进展作一综述。     

30nm染色质纤维结构与表观遗传调控

真核生物的DNA以染色质形式通过逐级折叠压缩形成高级结构存在于细胞核中。染色质高级结构直接参与了真核基因的转录调控和其它与DNA相关的生物学事件,因此研究染色质高级结构对了解表观遗传学分子机制有着至关重要的作用。近些年,研究者们针对30 nm染色质高级结构提出了两个模型:螺线管模型和Zig-Zag模型。2014年,我们利用体外染色质组装体系重建了30 nm染色质纤维,运用高精度冷冻电镜技术得到了分辨率为11?的30 nm染色质纤维的精细结构,提出了30 nm染色质高级结构的左手双螺旋Zig-Zag模型。本文综述了30 nm染色质纤维结构研究方面的相关进展,并对30 nm染色质高级结构的表观遗传调控机理以及单分子成像和操纵技术在研究30 nm染色质高级结构中潜在的应用作出讨论和展望。     

高等植物中SWI/SNF染色质重塑研究的新进展

染色质重塑是真核生物表观遗传调控的重要方式．通过对染色质物理结构的调节,染色质重塑在高等动植物干细胞的自我更新及分化、器官和个体发育以及肿瘤发生等多种生物学过程中发挥重要作用．近年来,高等动植物染色质重塑方面的研究已经成为表观遗传学研究领域的热点．本综述总结近年来有关高等动植物染色质重塑的重要研究报道,介绍了染色质重塑的结构机制、分析比较了高等动植物染色质重塑复合体的组成及其生物学功能的多样性,并着重综述了高等植物SWI/SNF染色质重塑复合体各组分在调控植物发育与逆境生长等方面的功能,以期为今后植物中染色质重塑的研究提供启示．     

A ‘higher order’ of telomere regulation: telomere heterochromatin and telomeric RNAs

Protection of chromosome ends from DNA repair and degradation activities is mediated by specialized protein complexes bound to telomere repeats. Recently, it has become apparent that epigenetic regulation of the telomric chromatin template critically impacts on telomere function and telomere‐length homeostasis from yeast to man. Across all species, telomeric repeats as well as the adjacent subtelomeric regions carry features of repressive chromatin. Disruption of this silent chromatin environment results in loss of telomere‐length control and increased telomere recombination. In turn, progressive telomere loss reduces chromatin compaction at telomeric and subtelomeric domains. The recent discoveries of telomere chromatin regulation during early mammalian development, as well as during nuclear reprogramming, further highlights a central role of telomere chromatin changes in ontogenesis. In addition, telomeres were recently shown to generate long, non‐coding RNAs that remain associated to telomeric chromatin and will provide new insights into the regulation of telomere length and telomere chromatin. In this review, we will discuss the epigenetic regulation of telomeres across species, with special emphasis on mammalian telomeres. We will also discuss the links between epigenetic alterations at mammalian telomeres and telomere‐associated diseases.     

Lamins and lamin-associated proteins in aging and disease

Lamins, together with the lamin-associated proteins of the inner nuclear membrane, are structural proteins in the nucleus that mediate mechanical stress resistance. Novel findings show that lamin complexes also have scaffolding functions in the formation and regulation of higher order chromatin and in epigenetic regulatory pathways. Furthermore, lamins serve as scavenging complexes and regulators of signaling molecules in diverse pathways. Lamin complexes in the nuclear interior contribute to retinoblastoma-mediated cell cycle regulation. Because of their multiple and diverse roles, lamins are linked to an increasing number of human diseases. The molecular mechanisms of these diseases, which are just beginning to emerge, may involve cell cycle and differentiation defects in adult stem cells and genomic instability.     

抗原受体基因重组的表观遗传学调控研究新进展

淋巴细胞是哺乳动物唯一能发生体细胞基因组变化的一类细胞,淋巴细胞在发育过程中通过V(D)J重组获得成熟的特异的抗原受体基因,实现了免疫细胞抗原识别惊人的多样性.关于V(D)J重组的调控机制一直是免疫学研究的重要问题,然而直到将表观遗传学研究引入这一领域,综合遗传学和表观遗传学的研究才真正揭示V(D)J重组精细的调控机制.综述了新近发现的V(D)J重组过程中重要的表观遗传学调控机制,如CpG甲基化,组蛋白修饰,核小体重塑及核拓扑学变化.