研究称连接组蛋白H1以“类液态胶水”方式黏合核小体,支持动态染色质压缩

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细胞核内的DNA并非以刚性、规则的纤维形态被固定包装。研究人员报告称,连接组蛋白H1在核小体之间以动态方式结合,像“类液态胶水”一样松散黏合染色质,使其形成凝聚但仍具流动性的结构,并可在维持基因组基本功能的同时保持对其他分子的可及性。

人类基因组具有高度压缩特性:若将46条人类染色体首尾相连,总长度约两米,但可被排列在直径约10微米的细胞核内。为适应有限空间,DNA缠绕组蛋白形成核小体,核小体及相关蛋白进一步折叠为染色质,从而在实现包装的同时保留功能性。

长期以来,分子生物学教材通常将连接组蛋白H1描述为促使核小体组织成规则、刚性的高阶结构(常被描绘为30纳米染色质纤维)的关键因子。不过,越来越多证据显示,这类高度有序的纤维在活细胞中并不常见,由此引出H1在体内如何压缩DNA并组织染色质的问题。

日本SOKENDAI与遗传学国家研究所(信息系统研究机构,ROIS)的前岛一弘教授、以及英国剑桥大学Rosana Collepardo-Guevara教授领导的团队,围绕H1在活细胞内与核小体的结合方式及其对染色质结构的影响开展研究。研究结合单核小体成像、超分辨率荧光显微镜与计算建模,提出H1并非充当“静态夹具”,而是以动态、类液态方式轻柔折叠染色质,形成可流动的凝聚结构。

相关成果已发表于《Science Advances》。前岛一弘表示,结果显示H1并不会将染色质锁定为刚性纤维,而是动态结合核小体,帮助染色质凝聚,同时保持结构的动态性与适应性。

在实验部分,团队采用稀疏标记核小体的荧光策略,在活细胞中实现单核小体尺度的超分辨率定位与运动追踪。研究人员据此观察到,H1介导的染色质凝聚可在不形成高度有序、刚性纤维的情况下发生。岛添正指出,通过在活细胞中以高空间分辨率追踪核小体运动,团队直接检验了染色质更接近刚性结构还是动态状态,观测结果更符合“凝聚但流动”的特征,并与H1高度动态的结合与解离行为一致。

为将成像结果与潜在物理机制相联系,研究人员进一步建立染色质粗粒度模型,并利用近原子分子动力学(MD)模拟评估H1与染色质相互作用对压缩、组织与动态性的影响。Rosana Collepardo-Guevara与Jan Huertas表示,模拟帮助团队探究H1塑造染色质的微观规则;研究认为,H1通过在多个核小体之间形成多价相互作用,构建灵活网络以“黏合”染色质,从而在不将其固定为刚性结构的前提下实现凝聚,并显示H1的细微变化可传播并重塑更大尺度的基因组结构。

研究团队同时指出,基因组功能需要大型蛋白质复合体访问DNA以完成转录、复制与修复等过程,因此“类液态”的染色质结构可能具有优势:在保持紧凑的同时,仍允许分子机器进入并发挥作用。前岛一弘表示,理解活细胞中染色质的物理本质对于解释基因组如何被读取、复制与维护至关重要;该研究为H1提供了新的概念模型,并可能有助于理解H1功能异常如何导致基因组失调与疾病。


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