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．     

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.     

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     

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．     

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。     

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     

金鱼精子发生中的拟染色质小体

拟染色质小体是性细胞特有的细胞器。本文报道:在金鱼精子发生过程中,精原细胞含有大量的拟染色质小体,在它上面不仅聚集着许多线粒体,而且有膜片层附着,其本身还会出现环孔和类似线粒体内嵴状结构。随着细胞的分化,拟染色质小体逐渐变少减小,直至消失。本文对拟染色质小体的形成方式与功能进行了讨论。     

降解纤维素的“超分子机器”研究进展

综述了目前关于纤维小体组装模式、纤维小体结构多样性及人工设计纤维小体等方面的研究进展.纤维小体是某些厌氧菌产生的由多个亚基共同组装而成的大分子机器,是致力于组织、协调多种酶组分协同高效催化降解木质纤维素的胞外蛋白质复合体.纤维小体是厌氧微生物水解纤维素的主体,具有非常高效的打破结晶纤维素的结晶结构和降解纤维素链的作用.纤维小体对木质纤维素降解的高效性来自于其自发组装而成的复杂的高级结构,其结构的复杂性因不同的厌氧微生物而有所不同.     

表观遗传学——理论·方法·研究进展(2)

4 表观遗传学重点内容之二--染色体重塑 基因的活化和转录需要一系列重要的染色质变化,如染色质去凝集、核小体变成疏松的开放式结构等,使转录因子等调节因子更易接近和结合核小体DNA.与基因表达调节所伴随的这类染色质结构改变现象就叫做染色质重塑(chromatin remodeling),需要特异的因子结合在启动子和增强子等顺式作用元件上,并和RNA聚合酶之问建立起有效的联系.染色质重塑的机理涉及特殊的蛋白复合体.     

α-突触核蛋白的结构生物学研究

α-突触核蛋白(α-synuclein, α-syn)聚集形成纤维状结构，进而形成路易小体(Lewy bodies, LBs)。LBs是帕金森病(Parkinson’s disease, PD)、多系统萎缩(multiple system atrophy, MSA)和路易小体痴呆(dementia with Lewy bodies, DLB)等神经退行性疾病的典型细胞病变特征，也是发病的一个关键环节。近年来，冷冻电镜技术的进步使解析高分辨率α-突触核蛋白原纤维结构成为可能。对α-突触核蛋白不同聚集形态的深入探究，能为理解神经退行性病变的分子机制、α-突触核蛋白毒性形式的性质以及α-突触核蛋白聚集影响的信号途径等提供帮助。本文综述目前已知的不同形态α-突触核蛋白结构，阐述α-突触核蛋白单体、寡聚体和不同聚集形式原纤维的结构特征。α-突触核蛋白寡聚体由于其结构不稳定，目前尚无明确的结构信息。但目前已有多个α-突触核蛋白原纤维结构被解析，包括重组蛋白体外制备的和多系统萎缩(MSA)患者体内分离的原纤维。这些原纤维直径由5 nm的单股原纤维至10 nm的双股原纤维不等。不同的体外制备条件可生成...     

蓝氏贾第虫核小体的初步研究

最原始的真核生物蓝氏贾第虫虽已有五种组蛋白,但以微球菌核酸酶水解却得不到规则的DNA片段。鉴于贾第虫的特殊进化地位,探讨其是否具有核小体结构,对于研究核小体的起源和进化具有重要的意义。采用改进的染色质铺展技术制备核小体并进行透射电镜观察。结果表明蓝氏贾第虫已有了直径约l0nm的核小体结构。作者认为核小体的形成可追溯到真核生物形成的初期甚至更早,核小体的完善则在真核生物形成之后。     

染色质核小体的电镜制片方法

自从发现真核细胞染色质普遍存在着核小体结构以来,对于核小体结构的研究已取得了重大的进展。许多研究者运用电子显微镜直接观察核小体。有人用核酸酶消化核或染色质,再经蔗糖     

细胞重编程过程中核小体定位改变研究进展

细胞重编程是指在精卵结合或核移植过程中,核遗传物质的表观遗传标记发生删除和重塑,从而使已分化的细胞成为具有全能性的过程.发生细胞重编程的方法主要有细胞融合、体细胞核移植以及诱导多能干细胞等.核小体是染色质的基本结构及功能单位,是染色质的一级结构,核小体定位对基因的表达及细胞的状态有着重要的调控作用.细胞重编程过程中核小...     

技术与方法体外组装含有组蛋白变体H2A.Z及H3.3的核小体

核小体是构成真核生物染色质的基本结构单位,组蛋白变体H2A.Z及H3.3对染色质结构及基因转录过程发挥着重要的调控作用。体内研究核小体及染色质结构受到诸多因素限制,体外重构含有H2A.Z及H3.3的核小体结构是研究与组蛋白变体相关基因表达调控的重要方法之一。实验表达纯化了6种组蛋白,在复性的过程中装配了含有H2A.Z和H3.3的组蛋白八聚体。基于DNA序列10bp周期性及序列模体设计了3条易于形成核小体的DNA序列,通过PCR大量扩增的方法,回收了标记Cy3荧光分子的目的DNA序列。采用盐透析法体外组装了含有H2A.Z和H3.3的核小体结构,利用荧光标记、EB染色及考马斯亮蓝染色检测了含有组蛋白变体的核小体形成效率及形成过程的吉布斯自由能变化。结果发现,设计的3条DNA序列可以有效地组装形成含有组蛋白电梯的核小体结构,而且随着组蛋白八聚体与DNA比例的增加,核小体的形成效率显著提高;采用Cy3荧光标记可以灵敏且定量地计算组装过程的吉布斯自由能。该方法的建立对研究组蛋白变体相关的结构生物学及转录调控等具有一定的意义。     

体外组装含有组蛋白变体H2A.Z及H3.3的核小体

核小体是构成真核生物染色质的基本结构单位,组蛋白变体H2A.Z及H3.3对染色质结构及基因转录过程发挥着重要的调控作用。体内研究核小体及染色质结构受到诸多因素限制,体外重构含有H2A.Z及H3.3的核小体结构是研究与组蛋白变体相关基因表达调控的重要方法之一。实验表达纯化了6种组蛋白,在复性的过程中装配了含有H2A.Z和H3.3的组蛋白八聚体。基于DNA序列10bp周期性及序列模体设计了3条易于形成核小体的DNA序列,通过PCR大量扩增的方法,回收了标记Cy3荧光分子的目的 DNA序列。采用盐透析法体外组装了含有H2A.Z和H3.3的核小体结构,利用荧光标记、EB染色及考马斯亮蓝染色检测了含有组蛋白变体的核小体形成效率及形成过程的吉布斯自由能变化。结果发现,设计的3条DNA序列可以有效地组装形成含有组蛋白电梯的核小体结构,而且随着组蛋白八聚体与DNA比例的增加,核小体的形成效率显著提高;采用Cy3荧光标记可以灵敏且定量地计算组装过程的吉布斯自由能。该方法的建立对研究组蛋白变体相关的结构生物学及转录调控等具有一定的意义。