3D基因组成像首次在人类活细胞中实现

医疗健康 来源:生物探索
2017
07/31
17:05
生物探索 医疗健康

7月28日,最新一期的《科学》杂志发表了题为“ChromEMT: Visualizing 3D chromatin structure and compaction in interphase and mitotic cells”的封面文章。在这一研究中,来自Salk生物研究所和加州大学圣地亚哥分校的科学家们揭开了关于DNA组织的长期生物学之谜。研究人员首次在人类活细胞的细胞核中实现了3D基因组成像。

新染料与关键技术ChromEMT

如果伸展开来,我们体内所有细胞的DNA将能到达冥王星。那么,每一个微小的细胞是如何将一个两米长的DNA放入它的细胞核中的呢?

这一生物学谜题的答案是理解细胞核中的DNA三维结构如何影响人体生物学的关键,包括我们的基因组如何协调细胞的活动,以及基因是如何在父母和子女之间传递的。

在这项最新的研究中,科学家们首次提出了人类活细胞细胞核中染色质3D结构前所未有的视图。

在这一杰出的成果中,研究人员鉴定出了一种新型的DNA染料。这种染料与先进的显微镜检查技术融合成了一种称为ChromEMT的新技术,能够让休眠期和有丝分裂阶段的细胞的染色质结构被高度详细的可视化。

该研究的通讯作者Clodagh O'Shea说:“生物学中最棘手的挑战之一就是弄清细胞核中DNA的高阶(higher-order)结构,以及理解这些结构与功能之间的联系。这是非常重要的,因为DNA的生物学相关结构决定了基因的功能和活性。”

通过揭示活细胞中细胞核染色质的结构,这项研究可能有助于改写DNA结构的教科书模型。

活细胞中染色质结构之谜

自Francis Crick和James Watson确定DNA的初级结构是双螺旋以来,科学家们一直想知道,DNA是如何进一步组织,使其完整的长度能够装进细胞核中。X射线和显微镜检查揭示了染色质组织的初级结构:包含147个碱基的DNA缠绕着蛋白质,形成直径约为11纳米的微粒——被称为核小体。染色质(染色质是间期细胞遗传物质存在的形式。染色体是指细胞在有丝分裂或减数分裂的特定阶段,由染色质聚缩而成的棒状结构)被认为是由一连串的核小体所组成。

一个问题是,此前,没有人在还未破碎的细胞(指完整细胞)中在这些中间尺寸下(in these intermediate sizes)观察到过染色质的结构。也就是说,事实上,在完整细胞中染色质高阶结构的教科书模型仍未被证实。

为了解决在完整细胞核中可视化染色质的问题,O'Shea的研究小组筛选了大量的候选染料,最终找到了一个能够被精确操作的,通过一系列复杂化学反应使DNA的局部结构和3D聚合物结构能够在活细胞中被成像出来的染料。

随后,O'Shea的团队与加州大学圣地亚哥分校的显微镜学专家Mark Ellisman教授合作:通过将染色质染料与电子显微镜断层摄影技术结合,他们创造了名为ChromEMT(chromatin dye with electron-microscope tomography,ChromEMT)的新技术。

研究小组利用ChromEMT技术对休眠人类细胞和分裂期细胞中的染色质进行了成像和分析。令人惊讶的是,他们在任何地方都没有观察到任何教科书模型的高阶结构(Surprisingly, they did not see any of the higher-order structures of the textbook model anywhere.)。

该研究的第一作者Horng D. Ou说:“从细胞核中提取,并在体外处理过的染色体可能不像完整细胞中的染色体。因此,能够在体内直接观察是非常重要的。”

颠覆人们此前想象

20世纪70年代以前,人们关于染色质结构的传统看法认为,染色质是组蛋白包裹在DNA外面形成的纤维状结构。直到1974年Kornberg等人根据染色质的酶切和电镜观察发现,核小体是染色质组装的基本结构单位,提出染色质结构的“串珠”模型,从而更新了人们关于染色质结构的传统观念。

此前,这些核小体串珠(nucleosome “beads on a string”)被认为是折叠成直径增加的(30、120或320纳米等)离散的纤维结构(discrete fibers of increasing diameter)。(百度百科上关于染色质结构的描述是这样的:串珠结构是染色质组装的一级结构。不过在细胞中,染色质很少以这种伸展的串珠状形式存在。当细胞核经温和处理后,在电镜下往往会看到直径为30纳米的染色质纤维。在有组蛋白H1存在的情况下,由核小体串珠结构螺旋盘绕,每圈6个核小体,形成外径25~30纳米,螺距12纳米的螺线管。螺线管是染色质组装的二级结构。)

然而,O'Shea的研究小组观察到,在休眠和分裂的细胞中,染色质的“串珠”并没有形成任何理论上所推测的30、120或320纳米的高阶结构。取而代之的是,它形成了半柔性链(semi-flexible chain)。这种链的长度在5-24纳米之间连续变化,并通过弯曲和收缩实现不同的压实程度。这表明,是染色质的组装密度(packing density),而不是某些高阶结构决定了基因组哪些区域是激活的,哪些区域是被抑制的。

来源:生物探索

为你推荐

全球首个专家级通用医疗影像模型,一次识别146种病症资讯

全球首个专家级通用医疗影像模型,一次识别146种病症

9月18日消息,阿里巴巴达摩院与浙江大学医学院附属第一医院等机构研发出通用医疗影像AI模型DAMO RADAR,并登上国际顶级学术期刊《科学》(Science)。

2026-09-18 17:12

金斯瑞与礼来TuneLab达成合作,推动AI制药湿实验服务资讯

金斯瑞与礼来TuneLab达成合作,推动AI制药湿实验服务

根据协议,金斯瑞生物将向Lilly TuneLab参与企业提供湿实验服务,助力其快速生成实验数据,将AI预测转化为生物学验证数据,加速候选药物评估。

2026-09-18 15:51

医药工业发展十五五规划资讯

医药工业发展十五五规划

规模以上医药工业企业营业收入超过3 5万亿元,创新药产业规模增速年均达到20%以上,全球年销售额超10亿美元的品种数量达到5个以上;年营业收入超过100亿元的医药工业企业数量达...

2026-09-18 13:45

全球首个核药仿制药获完全批准资讯

全球首个核药仿制药获完全批准

9月14日,Curium宣布Bexlutry([177lu]氧奥曲肽,研发代号:PNT2003)获得FDA批准上市。该药物是Lutathera的仿制药,也是全球首个获批上市的核药仿制药。

2026-09-18 11:58

康方生物第4个ADC获批临床,加速布局IO+ADC方向资讯

康方生物第4个ADC获批临床,加速布局IO+ADC方向

近日,康方生物(9926 HK)宣布,其自主研发的创新双抗ADC药物AK158D1(EGFR Trop2 双抗ADC),已获得国家药品监督管理局药品审评中心批准,开展用于治疗晚期恶性实体瘤的I期临床研究。

2026-09-18 11:18

体内CAR-T出海资讯

体内CAR-T出海

近日,河北森朗生物科技有限公司(森朗生物)与美国Tempest Therapeutics(Tempest)签署独家选择权协议,授权Tempest可独家引进森朗生物CD7靶向慢病毒载体平台及多款体内CAR-T候选药物。

2026-09-17 17:15

迈英诺医药完成超 2 亿元 A 轮融资,全球首个局部给药泛 JAK / 泛 Trk 多靶点抑制剂进入中美 II 期临床资讯

迈英诺医药完成超 2 亿元 A 轮融资,全球首个局部给药泛 JAK / 泛 Trk 多靶点抑制剂进入中美 II 期临床

本轮融资由阳光融汇资本领投,厦门金圆产业链基金、厦门市心血管产业基金、博行资本、建发新兴投资、沃美达资本、朗煜投资、厦门高新投跟投

2026-09-17 16:23

华东医药携手美柏生物,ECM胶原蛋白MB007独家战略合作落地资讯

华东医药携手美柏生物,ECM胶原蛋白MB007独家战略合作落地

就细胞外基质(Extracellular Matrix,ECM)胶原蛋白MB007产品在中国市场达成独家战略合作

2026-09-17 16:17

全球范围内,达芬奇SP单孔手术系统首获新适应症资讯

全球范围内,达芬奇SP单孔手术系统首获新适应症

直观医疗近日宣布,达芬奇SP单孔手术系统经阴道妇科手术适应症已获得欧盟CE认证,这是该系统在全球范围内首次获批此适应症。

2026-09-17 16:17

赛诺菲上海外资研发创新中心正式揭牌,携手华山医院共建全球卓越转化中心 资讯

赛诺菲上海外资研发创新中心正式揭牌,携手华山医院共建全球卓越转化中心

赛诺菲加码中国创新,推动本土科研加速临床转化

2026-09-17 16:00

2026上半年:创新医药企业营业收入TOP10 VS 创新医疗器械企业营业收入TOP10资讯

2026上半年:创新医药企业营业收入TOP10 VS 创新医疗器械企业营业收入TOP10

在生物医药及医疗器械领域,创新性通常被视为企业实现长期成长的核心价值驱动。

2026-09-17 15:51

《医药代表管理办法》备案政策问答(二),非首次备案医药代表因学历、专业不符合《办法》规定可否备案资讯

《医药代表管理办法》备案政策问答(二),非首次备案医药代表因学历、专业不符合《办法》规定可否备案

9月16日,国家医药代表备案平台发布《备案政策问答(二)》。国家药监局收集、整理了部分与备案相关的问题,进行解答。

2026-09-17 11:08

字节跳动Anew Labs完成2.9亿美元融资资讯

字节跳动Anew Labs完成2.9亿美元融资

本轮融资由原红杉中国HSG、IDG资本和高瓴投资领投,五源资本担任联合领投方。其他投资者还包括高榕创投、春华创投、博裕资本,以及战略投资者SBP Group和国资背景的上海未来产...

2026-09-17 10:36

诺华前中国总裁张颖出任传奇生物 CEO资讯

诺华前中国总裁张颖出任传奇生物 CEO

纳斯达克上市细胞治疗企业传奇生物(Legend Biotech,股票代码:LEGN)于 9 月 15 日正式官宣,董事会任命张颖(Ingrid Zhang)担任公司首席执行官(CEO),任命自当日生效。

2026-09-16 19:41

丹纳赫举办阿尔茨海默病科普分享会,共话早筛早诊,守护认知健康资讯

丹纳赫举办阿尔茨海默病科普分享会,共话早筛早诊,守护认知健康

在我国,AD及相关痴呆患病人数已近1700万,而早诊率长期偏低。

2026-09-16 19:25

化学药品注册标准新增检验项目和变更生产地址是否需要进行注册检验资讯

化学药品注册标准新增检验项目和变更生产地址是否需要进行注册检验

化学药品的以下变更情形是否需要进行注册检验? 1 注册标准新增检验项目 2 变更生产地址。

2026-09-16 16:13

聚焦罕见病创新与患者可及,2026年“中法医学日”活动在京举行资讯

聚焦罕见病创新与患者可及,2026年“中法医学日”活动在京举行

​近日,2026年“中法医学日”活动今日在北京国家会议中心举行,来自中法医疗健康领域的政策研究者、临床专家、患者组织代表及产业界代表等逾百位嘉宾参会,围绕“健康与创新:...

2026-09-16 15:05

荣昌生物PD-1/VEGF双抗RC148一线治疗鳞状和非鳞状非小细胞肺癌Ib期临床数据资讯

荣昌生物PD-1/VEGF双抗RC148一线治疗鳞状和非鳞状非小细胞肺癌Ib期临床数据

近日,在2026年世界肺癌大会(WCLC 2026)上,荣昌生物公布了其PD-1 VEGF双特异性抗体RC148一线治疗鳞状和非鳞状非小细胞肺癌的Ⅰb期临床数据(RC148-C002研究)。

2026-09-16 14:36

我国将首次制定全国统一的医保医疗服务项目目录,第一批目录工作方案发布资讯

我国将首次制定全国统一的医保医疗服务项目目录,第一批目录工作方案发布

9月16日,国家医保局正式印发《国家基本医疗保险医疗服务项目目录(第一批)制定工作方案》,我国将首次制定全国统一的医保医疗服务项目目录,进一步规范医保支付范围,提升保障...

2026-09-16 11:45

2025年航空援助核心洞察报告资讯

2025年航空援助核心洞察报告

近日,国际SOS旗下的航空医疗与安全风险管理服务商MedAire发布《2025年航空援助核心洞察报告》,为航空公司及公务机运营商配置保障资源、管理运营风险提供参考。

2026-09-16 11:22