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.     

果蝇多线染色体β异染色质区的螺旋结构

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.     

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     

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。     

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。     

关于蚕豆根端分生组织细胞核中类胀泡结构的研究

本文对蚕豆根端分生组织细胞核中类胀泡结构的超微结构变化和细胞化学特点进行了研究。我们观察到,类胀泡结构是与集缩染色质紧密相连的核内结构。该结构是由直径30nm左右的纤维组成的较为疏松的网络,其中的30nm纤维可以进一步解集缩并释放出直径约10nm的颗粒,这些颗粒可能是核小体。Bernhard染色结果表明,类胀泡结构含有RNP。放射自显影结果表明,类胀泡结构具有转录活性。我们推测,蚕豆细胞核中的类胀泡结构可能是非核仁基因表达的一种形态。     

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。     

Alu元件在染色质三维结构层次上的生物信息学分析

染色质在细胞核内三维高级结构包括最底层的核小体、核小体组成的"串珠"结构、螺线管纤维结构、染色质/DNA环结构(chromatin/DNA loop)、拓扑结构域(topologically associated domain, TAD)等多层次结构。其中,TAD因在不同的细胞类型中相对稳定且保守,被认为是染色质三维结构的基本单元。Alu元件是一种哺乳动物基因组中占据了较大比例的短散在重复元件,其广泛存在且种类繁多,目前关于Alu元件功能上的研究尚不透彻。本研究对Alu元件与染色质三维结构的关系进行研究,分析了Alu元件在染色质三维结构形成中的作用,并通过染色质三维结构上的距离关系对Alu元件子族的演化流程进行了探索。结果发现,Alu元件参与的染色质间相互作用在高强度的染色质相互作用中的比例随着强度增加而逐渐增高,表明Alu在染色质三维结构构建的过程中发挥了重要的作用。同时,研究还发现Alu元件在染色质上相互作用的强度与进化上的关系存在着一定的正相关性,表现在一维序列进化距离上比较接近的Alu元件在染色质的三维结构上也会彼此相互靠近。     

应用原子力显微镜对玉米染色质纤丝及染色体骨架的研究(英文)

应用原子力显微镜对经化学方法预处理的玉米染色体超微结构进行了研究。原子力显微镜观察的结果揭示,经30%醋酸处理的玉米染色体表面呈现出不均一的颗粒状结构。当缩小扫描范围后,在染色体表面发现直径分别为30和100 nm的两种染色质纤丝。100 nm的染色质纤丝由30 nm染色质纤丝螺旋缠绕而成。在经25%胰酶处理的玉米染色体上发现了两种类似的螺旋状染色质纤丝结构,其直径分别为30和100～150 nm。较细的染色质纤丝螺旋缠绕成较粗的纤丝,进而构成整个染色体。经低离子浓度溶液抽提,用原子力显微镜观察到了玉米染色体的染色体骨架结构。这种染色体骨架呈不规则的纤维网状,这些网状纤维在染色体中部显得较为紧密,在染色体的边缘则显得较松散。这一结果暗示染色体是由不同级别的染色质纤丝螺旋缠绕构成,为染色体的多级螺旋结构假说提供了新的证据。同时发现染色体骨架并不是呈轴样的结构存在,而是保留了染色体的基本形态,这种骨架形状也许是由分散在染色体中的染色体骨架蛋白在低离子浓度溶液抽提的过程中凝缩形成的。     

Higher-order structures of chromatin: the elusive 30 nm fiber

Despite progress in understanding chromatin function, the structure of the 30 nm chromatin fiber has remained elusive. However, with the recent crystal structure of a short tetranucleosomal array, the 30 nm fiber is beginning to come into view.     

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.     

Chromatin fiber structure: Where is the problem now?

The structure of the "30 nm chromatin fiber", as observed in vitro, has been a matter of controversy for 30 years. Recent studies with new and more powerful techniques give some promise for resolution. However, this will not necessarily inform us as to the in vivo structure, which may be both heteromorphic and dynamic. In this chapter, we briefly review the older conjectures and some more recent studies of special interest. We attempt to point out the remaining contradictions and hopeful lines of future research.