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研究介绍

真核细胞通过一种分级的DNA-蛋白质组装压缩方式，将长达2米的基因组DNA包装在一个直径为几微米的细胞核中。第一级是核小体，由147 bp的DNA包裹在四个核心组蛋白（H2A、H2B、H3和H4）构成的八聚体上组成。然后，核小体的这个基本重复单元被组织成 10 纳米的“串珠”染色质纤维，进一步压缩成更高阶的染色质结构，以适应微米大小的细胞核。染色质的组织受到大量化学修饰的调控，特别是在组蛋白核心蛋白的N端尾部，如乙酰化和甲基化。组蛋白修饰调节核小体包装成高阶染色质结构，以影响基因组DNA对转录机制蛋白的可及性。随后，不同表观基因组状态下的染色质压缩控制着它们的基因表达，并对许多细胞过程产生显著影响，如DNA复制、细胞分裂、DNA损伤和DNA修复。

不同的组蛋白修饰如何在每个表观基因组状态下塑造高阶染色质结构仍然是一个重要的问题。由于传统光学显微镜的分辨率有限，目前对不同组蛋白修饰定义的高阶染色质结构的理解是通过体外生化分析间接推断出来的，如染色质免疫沉淀（ChIP）。这些分析通常依赖于对来自聚集细胞群的片段DNA的分析，并在单细胞水平上丢失信息。目前，超分辨率荧光显微镜的最新进展使在固定细胞和活细胞中进行低于衍射有限分辨率的染色质结构成像成为可能。基于定位的超分辨率显微镜，如（直接）随机光学重建显微镜（STORM）提供了一种最佳的空间分辨率，直接可视化以前不可见的高阶染色质结构甚至光学分辨率20-30纳米的体内单细胞核。超分辨率成像显示，体内染色质结构由异质的核小体簇组成，以及特定基因位点不同表观基因组状态的不同染色质包装。然而，由不同的组蛋白修饰形成的原位全基因组的高阶染色质结构仍然难以捉摸。

研究关注由组蛋白乙酰化和甲基化标记定义的全基因组高阶染色质结构的全面原位特征，以及它们的空间邻近性，通过STORM共同形成单个哺乳动物细胞核的染色质环境。我们选择了一组10个组蛋白标记，包括参与活性转录的赖氨酸乙酰化和参与抑制和活跃转录的赖氨酸甲基化。研究的超分辨率成像和定量分析揭示了高阶染色质的三个主要结构特征：组蛋白乙酰化形成空间分离的核小体纳米团簇，活性组蛋白甲基化形成空间分散的核小体纳米域，抑制性组蛋白甲基化形成高度浓缩的大聚集体。双色STORM成像显示，转录活性组蛋白标记与“开放”染色质一致，转录抑制组蛋白标记与高度浓缩的染色质一致。进一步对它们的空间邻近性的研究表明，抑制性和活性组蛋白标记大多具有空间排他性，而在活性组蛋白标记中可以观察到相当多的共定位。综上所述，超分辨率成像有助于揭示组蛋白乙酰化和甲基化是如何在单个哺乳动物细胞核的水平上，在从几十纳米到几微米的尺度上形成高阶染色质结构的。

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研究结果（节选）

1、不同组蛋白标记的STORM图像和定量表征

作者可视化了由哺乳动物细胞核中10个组蛋白修饰所定义的全基因组高阶染色质结构。图1A-1C显示了来自10个组蛋白标记的代表性宽场和超分辨率图像，包括转录活性组蛋白乙酰化标记（H3K9ac、H3K27ac、H3ac和H4ac）、转录活性组蛋白甲基化标记（H3K4me1、H3K4me2、H3K4me3和H3K36me3）和转录抑制组蛋白甲基化标记（H3K27me3和H3K9me3）。图1A和1B的超分辨率图像显示了明显的结构特征：组蛋白乙酰化标记形成空间分离和离散的核小体纳米团簇，和组蛋白甲基化标记形成高度异质和空间分散的核小体纳米域。图1C的宽视场图像中显示了抑制标记（H3K27me3和H3K9me3）在细胞核内呈浓缩的聚集物。超分辨率的图像清楚地显示了在核、核仁和核浆外围的高度浓缩（几百纳米）中，有甚至是超大（微米大小）团核的存在。图1D显示了图1A-1C中选定的超分辨率图像区域中三个代表性组蛋白标记（H3K9ac、H3K4me1和H3K27me3）的总体分布图，它清楚地显示了高阶染色质结构的三个明显特征。

作者量化了每个组蛋白标记所形成的这些结构特征。图1E显示，组蛋白乙酰化标记在小于50 nm的短长度尺度上表现出狭窄的尖峰，表明存在高度聚集的小纳米结构；组蛋白甲基化标记的RDF分布更广，表明存在更大的聚物和更长的相关长度。进一步量化由不同组蛋白标记形成的纳米团簇和纳米结构域的大小，图1F显示了平均大小与SD的散点图。

图1

2、间期细胞核中不同组蛋白标记和 DNA 的双色STORM图像

作者通过双色STORM成像观测到组蛋白标记和DNA之间的空间关系。图 2 显示了转录活性或抑制性组蛋白标记（绿色，用 Cy3B 标记）和 DNA（红色，用 Alexa Fluor 647 标记）的代表性超分辨率图像，以及它们的合并图像和共定位点（用白色标记 ）。这些图像显示，DNA在细胞核中高度紧凑形成了分隔区域，其中，H3K9ac或H3K4me3的活性组蛋白标记在DNA较不致密的区域更为丰富（图2A和2B），而H3K27me3的抑制性组蛋白标记大多与DNA的浓缩区域相一致（图2C）。这一直接的视觉证据显示了组蛋白标记和染色质致密度之间的关系：抑制性组蛋白标记与高度浓缩的染色质结构有关，而活性组蛋白标记与更多的“开放”或更少致密的染色质结构有关。

图2

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研究总结

作者展示了超分辨率定位显微镜STORM在间期哺乳动物细胞核中的表观基因组状态下直接可视化全基因组高阶染色质结构的潜力。研究结果揭示了由组蛋白乙酰化和甲基化标记形成的高阶染色质结构的先前看不见的独特特征。这一结果为未来研究这些结构特征的功能意义以及它们在不同疾病状态下如何改变奠定了基础。

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