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Nature:著名学者庄小威揭示出不同表观遗传状态的独特染色质折叠

摘要 : 在1月13日的《自然》(Nature)杂志上,来自哈佛大学及麻省理工学院的研究人员称,她们采用超分辨率成像揭示出了不同表观遗传状态的独特染色质折叠。

在1月13日的《自然》(Nature)杂志上,来自哈佛大学及麻省理工学院的研究人员称,她们采用超分辨率成像揭示出了不同表观遗传状态的独特染色质折叠。

论文的通讯作者是著名的华人女科学家庄小威(Xiaowei Zhuang)。庄小威早年毕业于中国科技大学少年班,34岁时成为了哈佛大学的化学和物理双学科正教授,是哈佛物理系和化学系少有的双科教授。2012年庄教授当选为美国国家科学院院士,刷新了美国科学院最年轻华人院士的纪录。她所研发的超高分辨率技术STORM与诺奖得主Eric Betzig的成果不相伯仲,却和2014年的诺贝尔化学擦肩而过。

多方的证据表明,千碱基至兆碱基尺度上的染色质空间组织对于基因组功能至关重要。基因、基因簇及调控结构域的大小都在这一范围内;此外,相隔这一距离范围的基因组元件相互之间的物理互作对于基因活性起重要作用。

近期的高通量染色质构象捕获研究揭示,单条染色体被分割成长度在数十千碱基(kb)到数兆碱基(Mb)之间的接触结构域或拓扑相关结构域,这种结构组织有可能与各种基因组功能相关。此外,也有人将染色质分割为以生物化学修饰和DNA结合蛋白为特征的不同表观遗传状态结构域。然而,目前对于这些不同表观遗传状态间的染色质三维(3D)组织差异却不是很清楚。

在这篇Nature文章,庄小威与同事们采用超分辨率成像调查了不同表观遗传状态的染色质3D组织。她们在果蝇中将基因组结构域分为转录活化、转录失活或多梳(Polycomb)抑制三种不同的状态,并观察了每种状态的不同染色体组织。

研究人员发现三种类型的染色质结构域三维物理尺寸和结构域长度之间均显示幂次(power-law)缩放比例,但每种类型具有不同的缩放指数。多梳抑制结构域显示最密集的包装及最有趣的染色质折叠特性:染色质包装密度随结构域长度而增加。不同于转录活化和转录失活染色质显示相似的组织,多梳抑制结构域内染色质高度地混杂在一起。并且,相比于失活结构域,多梳抑制结构域在空间上更大程度排斥邻近的活化染色质。计算模拟和敲低实验表明,多梳家族蛋白(Polycomb-group protein)介导的可逆性染色质互作,对这些抑制染色质的独特包装特性起重要作用。

新研究利用超分辨率图像揭示出了Kb-Mb尺度上不同表观遗传状态的独特染色质包装。研究结果表明,表观遗传因子不仅将基因组划分成为了具有不同生物化学特性的独特一维结构域,还可以塑造这些结构域的三维纳米级结构,这有可能与一些生物化学特性一起发挥作用调控了基因表达。

原文链接:Super-resolution imaging reveals distinct chromatin folding for different epigenetic states

原文摘要:metazoan genomes are spatially organized at multiple scales, from packaging of DNA around individual nucleosomes to segregation of whole chromosomes into distinct territories1, 2, 3, 4, 5. At the intermediate scale of kilobases to megabases, which encompasses the sizes of genes, gene clusters and regulatory domains, the three-dimensional (3D) organization of DNA is implicated in multiple gene regulatory mechanisms2, 3, 4, 6, 7, 8, but understanding this organization remains a challenge. At this scale, the genome is partitioned into domains of different epigenetic states that are essential for regulating gene expression9, 10, 11. Here we investigate the 3D organization of chromatin in different epigenetic states using super-resolution imaging. We classified genomic domains in Drosophila cells into transcriptionally active, inactive or Polycomb-repressed states, and observed distinct chromatin organizations for each state. All three types of chromatin domains exhibit power-law scaling between their physical sizes in 3D and their domain lengths, but each type has a distinct scaling exponent. Polycomb-repressed domains show the densest packing and most intriguing chromatin folding behaviour, in which chromatin packing density increases with domain length. Distinct from the self-similar organization displayed by transcriptionally active and inactive chromatin, the Polycomb-repressed domains are characterized by a high degree of chromatin intermixing within the domain. Moreover, compared to inactive domains, Polycomb-repressed domains spatially exclude neighbouring active chromatin to a much stronger degree. Computational modelling and knockdown experiments suggest that reversible chromatin interactions mediated by Polycomb-group proteins play an important role in these unique packaging properties of the repressed chromatin. Taken together, our super-resolution images reveal distinct chromatin packaging for different epigenetic states at the kilobase-to-megabase scale, a length scale that is directly relevant to genome regulation.

来源: Nature 浏览次数:0

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