中國科學家率先解析生命信息載體結構奧秘(2)

2.我們人類的基因組

A. 我們每個人的基因組DNA大概有多長？

我們人類是二倍體生物，正常體細胞中含有兩套染色體組，一套來自於父方，一套來自於母方。我們每個個體的生命都是從一個精子和一個卵子相結合開始的。精子和卵子都是單倍體細胞，只含有體細胞中的一套染色體組。精子與卵子結合形成受精卵，成為二倍體細胞，含有兩套分別來自父母的完整染色體組。受精卵經過發育分化，形成萬億個各種功能各異的細胞；這些億萬個組織特異性的細胞有機地結合成為各種器官系統和不同組織，最后便形成一個嬰兒！對於人類的單倍體細胞(如精子或卵子)，DNA分子組裝成23條染色體，一共含有30億個鹼基對(3×109個)。由於人類的體細胞是二倍體，這就意味每個體細胞中含有46條染色體，其DNA量是由多達60億個鹼基對組成 [即 2 ×(3×109)= 6×109個] 。每個鹼基對的長度大約有0.34納米(1納米=10-9米)。如此推算，那麼每個二倍體細胞中就應該有約2米長的DNA [(0.34×10-9)×(6×109)2米 ]。也就是，我們身體中，一個體細胞的DNA長度加起來約有2米。

據估算我們每個人體內大約含有50萬億個細胞(即50×1012)， 那麼體內含有DNA總長應該為100萬億米長[(50×1012)×2 =100×1012米]。太陽距地球大概1500億米(1.5億公里)，一個來回就是3000億米(3億公里)。將人體DNA分子連接起來，其長度相當於地球到太陽來回距離的300倍，[(100×1012)÷(300×109)=330300]。

B。我們的人體和細胞怎麼容下這麼長的基因組DNA?

我們上面介紹了人體細胞中的DNA長度：每個二倍體細胞中的DNA加起來有2米長。如果粗略的按46條染色體測算，每條染色體包含的DNA長度平均是4厘米左右。(需要明的是，不同染色體大小是有差異的；這裏僅作粗略測算，是為給大家一個形象的明，以方便理解)。

接下來，一個重要的問題是，這麼長的基因組DNA到底包藏躲在人體或細胞的什麼地方？有趣的是，科學家們發現我們的DNA主要被包裝在細胞核內中的染色質裏。另外，構成我們人體的細胞，形態大小各異，大的細胞如卵子直徑可以達到130 微米左右，小一些的細胞直徑只有5～6 微米。而那麼我們的2米長的基因組DNA分子又是怎樣組裝、緊密壓縮到10-20微米的細胞核空間內的呢？細胞中有一類性質特異的蛋白質，組蛋白八聚體，能夠組裝基因組DNA形成染色質，併進一步摺疊凝聚形成非常複雜的染色質三維結構，把基因組DNA壓縮到真核生物的細胞核內。

2. 染色質的三維結構

在真核細胞中，DNA總是以染色質的形式存在，每一個細胞都有約2米長的DNA鏈通過染色質緊密摺疊被包含在幾個微米的細胞核裏。染色質早在1879年就被德國生物學家弗萊明Flemming提出，用於描述細胞核中已被鹼性染料染色的物質。其在細胞有絲分裂期高度摺疊形成染色體。

染色質是遺傳物質基因的主要載體，是調節生物體新陳代謝、遺傳和變異的物質基礎。所有有關DNA的生命活動都是在染色質這個結構基礎上進行的：染色質使基因組DNA有序組織在有限大小的細胞核內；同時保證細胞分裂過程中DNA的有序分離；保護DNA以有效防止DNA損傷；並控制基因的轉錄活性。

雖然染色質的概念早在1879年就被提出，但是直到一百年后的1974年，Kornberg利用生物化學和電鏡成像技術，才發現染色質的一級結構，即由DNA串聯的11nm核小體串珠結構。核小體是染色質結構的基本單元，由147bpDNA纏繞組蛋白八聚體(由四種組蛋白H2A、H2B、H3和H4各兩個分子組成的扁球狀八聚體)1.75圈組成，其高精度精細結構於1997年被Richmond研究組解析。染色質一級結構摺疊形成染色質二級結構“30nm染色質纖維”。教科書上認為30nm染色質纖維是染色質一級結構經螺旋化形成每一周包含6個核小體的螺旋管線狀體。但是由於30nm染色質纖維的精細結構一直沒有被解析，其結構模型目前仍然存在很大的爭議。染色質二級結構再進一步摺疊形成更為複雜的染色質高級結構，從而實現將長達2米的基因序列有規律的歸集在微米級的細胞核中。

除了細胞核中染色質的整體組織形式受到細胞周期調控以外，其局部結構也是高度動態的，受各種表觀遺傳因素的調控，包括組蛋白變體，DNA和組蛋白化學修飾等。染色質結構的動態調控與其相關基因的活性密切相關：染色質結構緊密，阻礙DNA與各種轉錄因子或DNA修復因子的作用，從而抑制基因活性；另一方面，染色質結構鬆散暴露DNA，使得基因活性被激活。

3. 染色質左手雙螺旋結構的確立

長期以來，對多個核小體以何種方式裝配形成30nm染色質高級結構，以及該結構受什麼因素調控一直是研究者夢寐以求，對生命信息的傳承和調控至關重要的信息。正如本研究論文評審人指出的：“30nm染色質結構是最基本的分子生物學問題之一，困擾了研究人員30余年”。這個問題的困難性主要來源於兩個方面：第一，細胞核內的染色質結構高度變化，受多種因素的影響，難以獲得適合高分辨率結構研究、具有高度均一性的染色質樣品；第二，30nm染色質是一個典型的超大分子復合體，對這種超大分子復合體的高分辨率研究缺乏一個系統性的、合適的研究手段和體系，具有極大的技術難度和挑戰性。因此，目前對於30nm染色質纖維這一超分子復合體的組裝和調控機理的研究還十分有限，對於30nm染色質纖維的精細結構及其結構模型的理解都還十分不確定並具有很大爭議。對於第一個方面的困難，研究者通過多年的努力，發現利用體外表達一種具有特殊性質的601DNA和組蛋白八聚體，可以獲得適合高分辨率研究的核小體和染色質；同時，通過改變不同的組蛋白修飾、組蛋白變體、不同的連接DNA長度等多種條件可以對各種影響染色質結構及動態變化的複雜因素在體外進行相關研究；對於第二方面的困難，近年來在結構生物學領域蓬勃發展，並在近原子分辨率三維結構重構方面取得重要性突破的一種冷凍電鏡三維重構方法為研究30nm染色質的高級結構提供了一個最為合適的工具。

中國科學院生物物理研究所長期從事冷凍電鏡高分辨率三維結構研究的朱平研究員和長期從事30nm染色質及表觀遺傳調控研究的李國紅研究員發揮各自特長，對這一難題進行了緊密合作和長期攻關。李國紅研究組依據多年在30nm染色質和表觀遺傳學研究方面的長期積累，成功建立了一套染色質體外重建和結構分析平台，獲得了適合高分辨率研究的高度均一30nm染色質樣品；朱平研究組依靠在冷凍電鏡高分辨率結構解析方面的長期積累，利用冷凍電鏡單顆粒三維重構方法獲得了由12個和24個核小體組成的30nm染色質纖維的高分辨率三維重構結果。這是兩個研究組緊密合作，在世界上首次解析的染色質清晰高級結構圖。他們解析的結構揭示了30nm染色質纖維以4個核小體為結構單元相互扭曲形成；結構單元的形成和單元之間的扭轉由不同方式的作用力介導；四聚核小體結構單元之間的空隙可能是組蛋白修飾、染色質重塑等重要表觀遺傳現象發生的調控控制區域。同時，他們的研究發現連接組蛋白H1在單個核小體內部及核小體單元之間的不對稱分佈及相互作用促成30nm高級結構的形成，首次明確了連接組蛋白H1在30nm染色質纖維形成過程中的重要作用。同時，和長期從事X射線晶體學研究的結構生物學家許瑞明研究員研究組合作，他們發現各個四聚核小體單元之間通過相互扭曲摺疊成為一個和DNA右手雙螺旋類似的左手雙螺旋染色質纖維高級結構(圖)。這些研究結果對於30nm染色質纖維高分辨率結構精細模型建立這一重大科學難題的破解，以及對於染色質的高級結構組裝的分析及表觀遺傳調控機制的研究是一個重要的突破性進展，併預測體內染色質結構建立的分子基礎以及各種表觀遺傳因素包括組蛋白變體、組蛋白化學修飾等對染色質結構調控的可能機理提供了可靠的結構基礎。