中国学者独家发表Science文章解析染色质

来自中科院生物物理所的研究人员利用低温电子显微镜（cryo-EM）技术，首次解析了30nm的高分辨率三维结构并提出了一种全新的染色质纤维结构模型。这一研究成果公布在4月25日Science杂志上。

　　生物通报道：来自中科院生物物理所的研究人员发表了题为“Cryo-EM Study of the Chromatin Fiber Reveals a Double Helix Twisted by Tetranucleosomal Units”的文章，利用低温电子显微镜（cryo-EM）技术，首次解析了30nm的高分辨率三维结构并提出了一种全新的染色质纤维结构模型。这一研究成果公布在4月25日Science杂志上。

文章的通讯作者是李国红（Guohong Li）研究员和朱平（Ping Zhu）研究员，这两位学者均为“****”研究员，前者主要从事染色质结构和表观遗传调控的研究，后者主要以冷冻电镜（CryoEM)和电子断层成像（Electron Tomography）方法为主要手段进行病毒、生物大分子及其复合物的结构和功能研究。

所有真核生物基因组，包括人类基因组在内都必须被包装在细胞核内，以便保持稳定性，并且这种包装过程也具有基因表达调控的作用，一些人类遗传病也是由此产生，因此不少研究人员聚焦于染色质结构，希望能通过解析染色质结构破解基因组的奥秘。

在这篇文章中，研究人员首次解析了30nm的高分辨率三维结构并提出了一种全新的染色质纤维结构模型，该模型揭示30nm染色质纤维是以4个核小体为结构单元，各单元之间通过相互扭转形成一个左手双螺旋高级结构，该研究也首次明确了连接组蛋白H1在30nm染色质纤维形成过程中的重要作用。

此前科学家们在研究染色质结构时曾遇到过多个瓶颈，30nm染色质纤维就是其中之一，这是DNA凝缩模型的第二级结构，在分子层次，任何有关DNA的生命活动都在由DNA与其所缠绕的组蛋白组装形成的染色质这个结构平台上进行。但是由于技术手段等方面的问题，染色质的三维空间高级精细结构一直未得以解决。

这项研究中，研究人员采用了低温电子显微镜（cryo-EM），与X射线晶体衍射相比，cryo-EM的一个明显优势就是不需要结晶，这大大拓宽了其研究领域，使生物大分子及其复合物的构象研究成为可能。

2014年Nature Methods值得关注的技术中就纳入了cryo-EM这种技术，此前cryo-EM存在一些技术限制，如难以产生足够量的样品，结构异质性，辐射损伤，电子束诱导的样品移动以及相机效率低。

2013年发表的两篇文章解决了部分问题：美国加州大学旧金山分校的研究人员利用一种新开发的单电子计数探测器，证实了电子束诱导的移动会大幅降低分辨率，并且，他们发现，快速读取与几乎无噪音的电子计数的组合使图像模糊得以校正，将图像信息恢复到高分辨率。这种方法大大提高了cryo-EM的图像质量和数据采集效率，实现了接近原子的分辨率。

生物物理所的研究人员依据多年在30nm染色质和表观遗传学的研究积累，建成一套染色质体外重建和结构分析平台，获得了适合体外研究的高度均一的样品。并进一步利用冷冻电镜单颗粒三维重构方法获得了30nm染色质纤维的高分辨率三维重构结果。

这一发现不仅有助于解析染色质的高级结构组装，表观遗传调控机制，而且还具体分析了染色质包装过程核小体组织中H1连接组蛋白的重要性，同期Science杂志的另外一篇文章详细介绍了这些发现的意义。（生物通：张迪）

原文标题：

Cryo-EM Study of the Chromatin Fiber Reveals a Double Helix Twisted by Tetranucleosomal Units

The hierarchical packaging of eukaryotic chromatin plays a central role in transcriptional regulation and other DNA-related biological processes. Here, we report the 11-angstrom–resolution cryogenic electron microscopy (cryo-EM) structures of 30-nanometer chromatin fibers reconstituted in the presence of linker histone H1 and with different nucleosome repeat lengths. The structures show a histone H1-dependent left-handed twist of the repeating tetranucleosomal structural units, within which the four nucleosomes zigzag back and forth with a straight linker DNA. The asymmetric binding and the location of histone H1 in chromatin play a role in the formation of the 30-nanometer fiber. Our results provide mechanistic insights into how nucleosomes compact into higher-order chromatin fibers.

作者简介：

李国红研究员
Guohong Li, Professor

专家类别: ****,研究员


简历 & 研究组工作摘要：

1991-1995　 武汉大学病毒系，获理学学士学位

1995-1998　 北京医科大学生物物理系，获理学硕士学位

1998-2003　 德国马普细胞生物学研究所/海德堡大学生物系，获博士学位

2003-2009　 美国霍华德休斯医学研究院 (HHMI),博士后。

2009- 今　 中国科学院生物物理研究所，中科院“****”研究员，博士生导师

研究组工作摘要：

本研究组主要从事染色质结构和表观遗传调控的研究，重点研究胚胎干细胞发育分化过程中染色质高级结构动态变化及其表观遗传调控的分子机理，阐明染色质高级结构动态调控在细胞命运决定中的生物学功能和分子机理。我们的工作主要包括以下三个方向：

一、30nm染色质纤维的组装、结构和调控机理研究

染色质结构的动态变化在基因转录沉默和激活过程中起重要作用，为表观遗传提供一个重要的信息整合平台。一方面，核小体折叠形成结构紧密的高级结构30nm纤维，导致基因沉默；另一方面，基因激活过程中的关键步骤则是30nm染色质纤维的解聚和重塑，从而使各种转录因子及转录机器可以接近DNA。染色质重塑，包括30nm染色质高级结构的动态变化，受各种表观遗传机制的调控。目前人们对于30nm染色质纤维的组装、精细结构模型及其表观遗传调控机理的研究还十分有限。我们课题组将利用体外染色质组装体系来重建30nm染色质纤维，结合单分子FRET、单分子磁镊、分析超速离心、电镜、高精度冷冻电镜和X射线晶体学等技术手段来研究30nm染色质纤维精细结构的建立；从分子水平上阐明各种表观遗传机制如组蛋白变体、DNA甲基化/羟甲基化和特异位点的组蛋白化学修饰等对30nm染色质纤维组装和基因转录的调控机理。

二、着丝粒染色质结构和功能研究

着丝粒是确保细胞分裂过程中染色体正常分离的一段重要的染色质区域，对生物个体基因的稳定遗传起着非常重要的作用。CENP-A作为着丝粒染色质的表观遗传学标记，是染色质核心组蛋白H3在着丝粒上的特异变体。但是到目前为止，我们对于着丝粒染色质的组成和结构、其特异组蛋白变体CENP-A的动态组装及其调控、着丝粒染色质及其表观遗传调控在干细胞生物学和重要疾病（如癌症和衰老）中的生物学功能等方面的认识还相当有限。我们课题组基于染色质体外重建系统，结合细胞生物学、生物物理、生物化学和分子生物学技术，系统地研究组蛋白变体CENP-A核小体的组成和结构、CENP-A在细胞周期中的动态组装、CENP-A对着丝粒核小体和染色质高级结构的调控机理、以及着丝粒染色质在干细胞自我更新和定向分化、肿瘤发生和细胞衰老中的生物学功能。

三、染色质结构和细胞命运决定的分子机理研究

在未分化的胚胎干细胞中，基因组染色质的结构比较松散、动态和开放。干细胞分化过程中，基因组染色质的表观遗传标签发生编程式变化，与之相对应的是各种复杂的染色质高级结构开始形成，染色质在核内组织形成结构和功能各异的染色质功能区。同时，一些分化细胞特异的染色质组织因子开始表达，如核纤层蛋白Lamin A/C、核基质蛋白以及核膜内层蛋白质等。这些蛋白与染色质特定区域紧密结合形成各种异染色质结构，通常这些异染色质位于核膜/核纤层下的核周边区域，在组织特异性基因的转录调控中起重要作用。但是，目前对异染色质的这一特定核内分布的分子机理还不清楚。我们课题组主要采用各种分子生物学、生物化学、生物物理、细胞生物学等技术研究胚胎干细胞定向分化过程中，染色质和核膜/核纤层的动态相互作用及其表观遗传调控，阐明异染色质（heterochromatin）在核膜/核纤层下形成和维持的分子机理。这些研究为我们进一步理解核纤层蛋白病的发病机理，特别是理解染色质结构在核纤层蛋白A变异导致的儿童早衰疾病中的可能作用机理奠定基础。


朱平研究员
Ping Zhu, Professor

专家类别: ****，研究员


简历 & 研究组工作摘要：

1986.9-1990.6 浙江大学 学士

1990.9-1993.6 西安交通大学 硕士

1993.9-1997.6 清华大学 博士

1997.7-1998.12 清华大学 讲师

1999.3-2008.5 美国佛罗里达州立大学生物系 博士后、助理研究员、副研究员（Non tenure-track　 faculty系列）

2008.6-至今　 中国科学院生物物理研究所 课题组长、“****”研究员


研究组工作摘要　　　

　 本研究组以冷冻电镜（CryoEM)和电子断层成像（Electron Tomography）方法为主要手段进行病毒、生物大分子及其复合物的结构和功能研究。冷冻电镜三维重构技术可以解析天然状态下生物大分子及其复合物的空间结构及组装机制，为深入理解生物大分子的相互作用机理提供重要而有益的信息，是一个近年来发展迅速并正在取得重要突破的方法。

　 本研究组的主要研究方向包括：（1）艾滋病毒（HIV-1）表面分子ENV及靶细胞受体、中和抗体复合物的结构特征；（2）全病毒的近原子分辨率三维结构重构以及病毒组装、感染与复制的分子机制；（3）染色质的高级结构以及表观遗传和染色质重塑的分子调控机制。同时我们也将进行其它生物大分子机器的三维结构和功能，以及重要生物过程的可视化研究。

　 (1) 艾滋病毒（HIV-1）表面分子ENV及靶细胞受体、中和抗体复合物的结构特征

　 HIV包膜蛋白ENV（表面蛋白gp120和穿膜蛋白gp41）在HIV-1病毒进入靶细胞的融合过程中起着决定性的作用。利用冷冻电镜和电子断层成像技术，我们首次获得了艾滋病毒表面及其包膜蛋白的清晰三维图像 (Zhu et al., PNAS, 2003；Zhu et al., Nature, 2006, article)。同时，我们首先观察到并合作得到了艾滋病毒广谱中和抗体2G12的不同于所有已知抗体的一种重链互锁的精细结构（Calarese et al, Science, 2003, research article ）。包膜蛋白是唯一暴露在艾滋病毒表面并由病毒本身表达的蛋白，是最明显的艾滋病毒疫苗的候选者。2G12是迄今为止发现的仅有的几种人体艾滋病毒广谱中和抗体之一。它们的结构信息对于抗艾滋病药物和疫苗的开发和设计具有重要的意义。

　 在以前的工作基础上，本研究组正在利用冷冻电镜和电子断层成像方法研究不同亚型艾滋病毒表面包膜蛋白及其复合物的结构和功能（Zhu et al., PLoS Pathogens, 2008），尤其是中国地区流行HIV-1毒株表面ENV三聚体及其与靶细胞受体和中和抗体形成的复合物的三维结构。同时，通过和国内外艾滋疫苗研究组的合作，我们正在进行重组ENV三聚体疫苗（Kang et al, Vaccine, 2009）及HIV-1病毒样颗粒VLP疫苗（Yang et al, J. Vriol, 2012）的表面ENV三聚体结构的研究，以期为有针对性地进行抗艾滋药物和疫苗的开发和设计提供有益的信息。

　 (2) 全病毒的近原子分辨率三维结构重构以及病毒组装、感染与复制的分子机制

　 近年来，随着冷冻电镜设备的进步以及方法学上的改善，冷冻电镜三维重构技术在解析病毒和其它生物大分子机器的三维结构方面正在向原子分辨率方向取得重要突破，目前的最高重构精度已经达到3Å左右，使得不依赖于蛋白质晶体而完全基于冷冻电镜密度图构建病毒分子的三维空间结构全原子模型成为可能。

　 生物物理研究所于2010年建成了一个世界一流的包括一台300KV Titan Krios场发射低温透射电子显微镜及其高端辅助设施在内的冷冻电子显微研究平台。利用该平台，我们采用单颗粒分析技术获得了呼肠孤病毒科一个质多角体病毒CPV的近原子分辨率（3.9 Å）重建结果并独立构建了该病毒完全基于冷冻电子密度图的三维全原子结构模型（Cheng et al, PNAS, 2011）。该结构揭示了病毒是如何引导新生mRNA依次经过一个鸟苷转移酶和两个甲基转移酶以完成对该病毒新生mRNA的加帽过程的。这是我国首次利用冷冻电子显微技术解析的生物大分子原子结构模型，也是第一个基于4Kx4K CCD图像获得的生物大分子复合体带氨基酸侧链的全原子模型。

　 在此基础上，我们以该双链RNA病毒为模型，获得了CPV病毒转录进行状态的近原子分辨率（4.1 Å）的三维电子密度图，并构建了一个处于转录态的双链RNA病毒全氨基酸原子结构模型（Yang et al,　　 PNAS, 2012）。由于难以得到处于稳定转录状态的病毒的晶体，目前还没有关于转录态病毒的晶体结构报道，该结构是目前唯一达到近原子分辨率水平的病毒转录态冷冻电镜三维重构结果。该研究揭示了病毒转录前后相关结构蛋白VP1和VP3发生的张开、扭转等构象变化，以及通过结构蛋白之间相互协调作用使得病毒新生RNA得以顺利流出的机制。同时，为澄清长期以来关于双链RNA病毒转录发生时的RNA流出通道的争论提供了直观证据。

　 (3) 染色质的高级结构以及表观遗传和染色质重塑的分子调控机制

　 染色体的基本单元（核小体）通过高度折叠形成30nm染色质纤维结构。染色质的高级结构及其重塑在基因转录沉默和激活过程中起重要作用，为表观遗传提供了一个重要的信息整合平台。但是目前对于 30nm染色质纤维的精细结构及其重塑过程还有争议。冷冻电镜及电子断层成像方法为研究30nm染色质结构及其重塑机制提供了一个合适的工具，我们正在开展这方面的研究。

　 同时，我们也在进行其它具有重要生物学或医学意义的生物大分子、病毒、细胞及其复合物的结构和功能以及重要生物过程（如病毒与宿主细胞相互作用）的可视化研究。