只差五個堿基，就能改變染色質凝聚體的物理屬性？

當捕食者突然出現時，鳥群能夠在一瞬間完成整齊的轉向。令人驚奇的是，這種協調并不是由某一只“領頭鳥”發出的指令，而是憑借整體涌現出的集體智能。這種現象被稱為“涌現”：當許多個體聚在一起時，會產生出單個個體根本不具備的全新行為和功能。

在細胞內部，也上演著類似的故事。成千上萬個分子看似雜亂無章地運動，但其中一部分卻能彼此識別和聚集，形成具有特定結構和功能的細胞組織——僅通過研究單個分子，是無法預測整體特性的。

不過，要弄清這種涌現特性是如何產生的——例如，細胞中一種叫作凝聚體的結構，究竟如何能由高速運動的分子自發形成——一直是個非常棘手的問題。

近日發表在《科學》雜志的一項研究中，研究人員揭示了凝聚體的性質是如何由其組成的分子特性涌現而來。他們的研究聚焦于染色質。染色質由DNA和組蛋白組成，可以在體外和細胞內通過類似“油水分離”的物理過程（相分離），形成凝聚體。

但一直以來研究人員并不清楚單個核小體（DNA+組蛋白）是如何逐層組裝成可見的凝聚體的，也不清楚這些相互作用如何決定凝聚體是像液體還是像固體。新研究則通過多尺度分析，填補了這一認知空缺。

三種技術的結合

染色質纖維由核小體通過連接DNA串聯而成。之前的研究發現連接DNA的長度會影響染色質纖維是否容易發生相分離，但為什么會這樣一直不清楚。

在新研究中，研究人員結合了三種技術：

• 冷凍電子斷層成像術（cryo-ET），用于捕捉核小體的組織方式及纖維結構；

• 分子模擬，用于量化組蛋白尾部如何參與核小體之間的相互作用；

• 光學顯微鏡，用于測量凝聚體的動態行為和黏彈性。

如何對凝聚態進行成像。為了可視化凝聚體內部的分子，研究團隊采用了冷凍電子斷層掃描——這種顯微術可以在接近自然狀態下，以高分辨率重建生物樣品的三維結構。（圖/HHMI）

結果顯示，僅僅在兩個核小體之間的連接DNA多增加5個堿基，就會改變核小體的空間排列方式，進而影響染色質纖維之間的相互作用及凝聚體的整體網絡結構。

這種細微的間隔差異會使形成的染色質凝聚體呈現完全不同的材料特性：一種更像液體，另一種則更像固體。

Cryo-ET對染色質凝聚體的成像結果：黑白部分顯示構成凝聚體的單個核小體，紫色部分為凝聚體中核小體的高分辨率重建結構。（視頻/Zhou et al.）

這些物理特征解釋了為什么有些染色質纖維更容易發生相分離，以及為何不同類型染色質形成的凝聚體具有不同的材料屬性。

視頻展示了連接DNA的長度如何影響結構的排列方式，從而影響染色質纖維之間的相互作用以及凝聚體的網絡結構。（視頻/Margot Riggi）

凝聚體研究的新藍圖

除了染色質外，這項研究還為探究多種生物分子凝聚體的組織與功能提供了藍圖。搞清凝聚體如何形成和運作，有助于解釋當凝聚過程失調時會出現什么問題——而這可能正是多種疾病（從神經退行性疾病到癌癥）的潛在誘因。

研究人員表示，通過這類研究，將能更好地理解異常凝聚體如何導致疾病，并有望為開發新一代治療手段提供依據。

#參考來源：

https://www.hhmi.org/news/chromatin-condensates-dna-structure-imaging

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv6588

#圖片來源：

封面圖&首圖：Pixabay