新发现挑战染色体组装经典模型

几十年来，科学家们普遍认为染色体组装是一个多层级高度有序的过程，即双链DNA缠绕着组蛋白八聚体（H2A， H2B， H3和H4）组成核小体，DNA如细丝般将大量核小体串起，形成了11nm的“念珠状”结构，它们按照螺线管或者Z字形排列堆砌成为30nm的染色质纤维，经过折叠聚集成120nm染色质丝，进而压缩为300-700nm的染色质。当细胞处于有丝分裂期时，染色质可进一步高度浓缩成1400nm的有丝分裂染色体。但是在之前的研究方法中，人们广泛采用电子显微镜观察DNA，但是在所获得的DNA图像中，它的对比度比较低。

如今，在一项新的研究中，来自美国加州大学圣地亚哥分校和沙克生物研究所的研究人员开发出一种新的被称作ChromEM的电镜样品染色方法，从而能够在透射电子显微镜下直接观察细胞核中的染色质结构。这种方法的关键在于一种名为DRAQ5的特殊DNA荧光染料。这种染料不仅可以对DNA进行荧光标记，而且在遭受激发后，能够让二氨基联苯胺（DAB）发生光氧化，从而使得DAB多聚化，从而提高细胞核内的DNA电子密度，这样就可以电子显微镜下清晰地观察细胞中的DNA。总之，ChromEM技术消除了在材料准备过程中可能对DNA产生的干扰，让染色质尽可能地保持它们最原始的状态。相关研究结果发表在2017年7月28日的Science期刊上，论文标题为“ChromEMT： Visualizing 3D chromatin structure and compaction in interphase and mitotic cells”。

这些研究人员利用ChromEM方法观察了处于分裂间期的人类小气道上皮细胞（SAEC）的染色质结构，并且重建了细胞核中的染色质三维结构。令人吃惊的是，他们并没有看到经典模型中的直径为30nm的染色质纤维和120nm 的染色质丝，相反，他们发现染色质在整个细胞核中并非均一分布，位于细胞核周围、单位体积下染色质浓度相对较高的异染色质区，和在细胞核中心、染色质浓度相对较低的常染色质同时存在。此外，他们还发现，无论在细胞核什么部位，染色质纤维的直径都惊人地一致落在5-24nm范围内。这些无序的纤维在镜下具有各种各样的结构，有的呈直线形堆积，有的螺旋形盘曲，有的两条纤维相互平行聚在一起，有的组成环状。

为了确认这种情形是否仅在人SAEC中发生，这些研究人员同样地利用ChromEM方法观察了分裂活跃的人类骨肉瘤细胞系，结果发现处于有丝分裂期的染色质纤维直径也同样落在5-24nm的范围内，并且与分裂间期细胞相同，并没有观察到30nm或直径更大的染色质结构。

这一发现改写了生物教科书中关于染色质组装的描述，为人们进一步开展染色质结构和功能研究铺平道路。