將我們全身細胞的DNA抻直，它們能從地球夠到冥王星。但是，我們絲毫不清楚，每個細胞中足足2米長的DNA，是如何“塞”到直徑只有千分之一毫米的細胞核中的。

如今，科學家們首次展現了人類活細胞核中的染色質的3D結構圖——其中DNA與蛋白質的結合清晰可見。

出乎意料的是，他們并未看到課本中所描繪的高度有序的染色質高階結構（現代生命科學教科書中就有一個經典的DNA凝縮模型，這個模型中包含了幾個不同階段的染色質結構）。另外，決定激活或抑制基因的，并非其他高階結構，而是染色質自身的組裝密度。

圖丨染色質的3D成像圖

來自索爾克研究所及加州大學圣迭戈分校的研究小組在 7 月 28 日的《Science》上刊登了這項突破性工作。通過揭示活細胞細胞核染色質的精細結構，這項研究可能將改寫課本中有關DNA組織排布的內容，甚至有望創立治療疾病的新方法。

圖丨《Science》封面，值得一提的是，本期封面由金屬噴繪而成

“我們證明了染色質并不需要形成離散狀態的高階結構去適應細胞核?！眮碜运鳡柨搜芯克母苯淌?、本文的通訊作者Clodagh O’Shea說，“調節組裝密度，能夠改變及限制分子進入染色質，是控制DNA序列的不同結合分子、核小體變形及修飾、改變基因功能活性，實現各個部分及層次精細協調控制的局部及整體結構基礎?！?/span>

相信大多數人對課本中DNA的雙螺旋結構仍有印象。1953年，弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森發表了著名的DNA雙螺旋分子結構。這個發現改變了人們關于生命的理解，也標志著現代生物學的到來。

圖丨1953年，詹姆斯·杜威·沃森（James Watson）和弗朗西斯·哈利·康普頓·克里克（Francis Harry Compton Crick）在《Nature》上發表了關于DNA雙螺旋結構的論文

自從二人發現了DNA的雙螺旋一級結構起，科學家們一直希望獲知DNA如何把自己“打包”至細胞核內，在細胞核內的高階結構中如何組織排布，從而實現在細胞周期的不同時間點嚴格調控復制的機制。

X射線衍射及顯微技術已經為我們展現了染色質的一級結構：由147個DNA堿基對纏繞在直徑約11納米的組蛋白上形成核小體。之后，按照現代生命科學教科書中經典的DNA凝縮模型，這些核小體會像念珠般串聯并折疊，形成不連續的、直徑更大（30，120，320nm等）的纖維結構，直到形成染色體。

但我們對染色質的一級結構以外的其他高階結構仍所知甚少。關鍵問題在于，至今無人在細胞未被裂解及細胞處于不同細胞周期時，觀察到過染色質的這種結構，以至于教科書中關于完整細胞中染色質高階結構的內容仍然僅停留在猜想與理論層次，從未被證實。

在此次研究中，研究人員研發出一種叫做“ChromEMT”（ChromEM tomography，染色體電鏡斷層拍攝）技術，用以窺視染色質的高階結構。這是一種將新型的DNA染料與高級顯微鏡相結合的技術，能夠將細胞靜止及有絲分裂期的染色質結構高度細節化成像。

圖丨負責本次研究的Horng Ou （左）和Clodagh C. O’Shea（右）

為了實現在完整細胞核中染色質的可視化，O’Shea團隊篩選了大量不同類型的染料，最終發現其中一種熒光染料能夠通過一系列可由光精確調控的化學反應，在DNA表面“涂上”一層金屬物質，從而得到在活細胞中DNA聚合體局部3D結構的高清影像。

有了可靠的DNA染料還不夠，科學家們還需要性能更加完美的成像技術才能實現對染色質高階結構的探索。來自加州大學圣迭戈分校的合作團隊的顯微鏡專家、文章共同作者Mark Ellisman教授同樣完成了這一艱巨任務。

Mark Ellisman開發了利用電子束與樣本間傾斜角重建DNA 3D結構、具有更高級功能的電子顯微鏡。將O’Shea團隊的新型染色質染色技術與這一電子顯微鏡斷層成像技術結合，這一新技術被命名為“ChromEMT”。研究團隊利用ChromEMT使處于休止期及有絲分裂中期（此時DNA排布最為致密緊縮）的人類細胞染色質成像。

圖丨ChromEMT 原理演示圖

“教科書中的模型與我們所觀察到結果的不一致是有原因的，”本文第一作者，索爾克研究所研究助理Horng Ou說?！耙酝挠^察，是在染色質被提取至試管中后進行的，所以可能會與完整活細胞中的染色質不同，這也說明了體內成像有多么的重要?！?/span>

圖丨染色質結構決定了人類基因的功能。為了使完整細胞中的染色質顯像，ChromEMT技術使DNA表面覆蓋金屬粉末。被金屬包裹染色質在電子顯微鏡下實現3D成像，揭示了其結構與排布。上圖為3D斷層掃描時的一層圖像。利用ChromEMT技術，我們能夠捕捉到染色質的精細結構（右，深色結構），然而未經染色的細胞（左）無法觀測到染色質結構。

無論是在靜止期還是分裂期的細胞中，研究團隊都未觀測到理論模型中核小體如“念珠串”組成30或120或320nm的不連續染色質高階結構。相反，核小體形成了一種半柔性鏈，根據測量，這一結構的長度在5-24nm范圍連續變化，通過折疊彎曲，實現不同程度的壓縮聚合。這一發現說明是染色質的組裝密度，而非其他高階結構，決定了基因的激活或抑制。

通過3D結構重建，研究團隊可以觀察到250nm x 1000nm x 1000nm 范圍的染色質彎曲折疊，并且可以實現如RNA聚合酶（參與DNA轉錄）等大分子，受到染色質密度變化引導，穿越一系列結構，定位到基因組中特定結合位點過程的可視化。除顛覆教科書中的模型之外，這一研究結果表明，控制染色質密度能夠實現對特定酶或轉錄因子與DNA結合的調控，能夠成為一種預防、診斷及治療癌癥等疾病的有效手段。

“生物學所面臨最艱巨的挑戰之一便是探究DNA在細胞核中的高階結構與基因功能之間的聯系，”來自索爾克研究所的副教授、本文的通訊作者Clodagh O’Shea說。

DNA在細胞核內的三維結構如何對生物體產生影響，基因組如何調節細胞活性，基因如何從親代遺傳至子代……這一系列生物領域的核心問題都與細胞核內染色質的結構息息相關。接下來，研究者們將進一步探究這種染色質結構是否具有細胞類型及器官層面的普適性。

或許，教科書的終極命運就是被改寫，在未來等待我們的，可能是更多“生命源于無序”的證據。