幾十年來(lái)，科學(xué)家們普遍認(rèn)為染色體組裝是一個(gè)多層級(jí)高度有序的過(guò)程，即雙鏈DNA纏繞著組蛋白八聚體（H2A, H2B, H3和H4）組成核小體，DNA如細(xì)絲般將大量核小體串起，形成了11nm的“念珠狀”結(jié)構(gòu)，它們按照螺線管或者Z字形排列堆砌成為30nm的染色質(zhì)纖維，經(jīng)過(guò)折疊聚集成120nm染色質(zhì)絲，進(jìn)而壓縮為300-700nm的染色質(zhì)。當(dāng)細(xì)胞處于有絲分裂期時(shí)，染色質(zhì)可進(jìn)一步高度濃縮成1400nm的有絲分裂染色體。但是在之前的研究方法中，人們廣泛采用電子顯微鏡觀察DNA，但是在所獲得的DNA圖像中，它的對(duì)比度比較低。

透射電子顯微鏡下直接觀察細(xì)胞核中的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)
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如今，在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校和沙克生物研究所的研究人員開發(fā)出一種新的被稱作ChromEM的電鏡樣品染色方法，從而能夠在透射電子顯微鏡下直接觀察細(xì)胞核中的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種方法的關(guān)鍵在于一種名為DRAQ5的特殊DNA熒光染料。這種染料不僅可以對(duì)DNA進(jìn)行熒光標(biāo)記，而且在遭受激發(fā)后，能夠讓二氨基聯(lián)苯胺（DAB）發(fā)生光氧化，從而使得DAB多聚化，從而提高細(xì)胞核內(nèi)的DNA電子密度，這樣就可以電子顯微鏡下清晰地觀察細(xì)胞中的DNA。總之，ChromEM技術(shù)消除了在材料準(zhǔn)備過(guò)程中可能對(duì)DNA產(chǎn)生的干擾，讓染色質(zhì)盡可能地保持它們最原始的狀態(tài)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2017年7月28日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“ChromEMT: Visualizing 3D chromatin structure and compaction in interphase and mitotic cells”。

這些研究人員利用ChromEM方法觀察了處于分裂間期的人類小氣道上皮細(xì)胞（SAEC）的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，并且重建了細(xì)胞核中的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)。令人吃驚的是，他們并沒有看到經(jīng)典模型中的直徑為30nm的染色質(zhì)纖維和120nm 的染色質(zhì)絲，相反，他們發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)在整個(gè)細(xì)胞核中并非均一分布，位于細(xì)胞核周圍、單位體積下染色質(zhì)濃度相對(duì)較高的異染色質(zhì)區(qū)，和在細(xì)胞核中心、染色質(zhì)濃度相對(duì)較低的常染色質(zhì)同時(shí)存在。此外，他們還發(fā)現(xiàn)，無(wú)論在細(xì)胞核什么部位，染色質(zhì)纖維的直徑都驚人地一致落在5-24nm范圍內(nèi)。這些無(wú)序的纖維在鏡下具有各種各樣的結(jié)構(gòu)，有的呈直線形堆積，有的螺旋形盤曲，有的兩條纖維相互平行聚在一起，有的組成環(huán)狀。

為了確認(rèn)這種情形是否僅在人SAEC中發(fā)生，這些研究人員同樣地利用ChromEM方法觀察了分裂活躍的人類骨肉瘤細(xì)胞系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)處于有絲分裂期的染色質(zhì)纖維直徑也同樣落在5-24nm的范圍內(nèi)，并且與分裂間期細(xì)胞相同，并沒有觀察到30nm或直徑更大的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。

這一發(fā)現(xiàn)改寫了生物教科書中關(guān)于染色質(zhì)組裝的描述，為人們進(jìn)一步開展染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能研究鋪平道路。

Horng D. Ou, Sébastien Phan, Thomas J. Deerinck et al. ChromEMT: Visualizing 3D chromatin structure and compaction in interphase and mitotic cells. Science, 28 Jul 2017, 357(6349):eaag0025, doi:10.1126/science.aag0025

Daniel R. Larson, Tom Misteli. The genome—seeing it clearly now. Science, 28 Jul 2017, 357(6349):354-355, doi:10.1126/science.aao1893