PNAS丨周华斌、Michael Rosen揭示染色质凝聚体内的纳米级三维组织规律

美国西南医学中心Michael Rosen团队开发了一种整合高压冷冻、聚焦离子束铣削（cryoFIB milling）与电镜解算算法的创新技术，首次实现了染色质凝聚体内部核小体空间排列的定量解析【1】。该研究不仅揭示了生物分子凝聚体异质网络结构的新规律，更为探索相分离体系的化学本质提供了通用工具。相关成果发表于最近一期的PNAS，题为：

Quantitative spatial analysis of chromatin biomolecular condensates using cryoelectron tomography

生物分子通过液-液相分离形成的凝聚体（biomolecular condensate）在基因调控、信号转导等过程中发挥关键作用。然而，这类动态组装体内部的高密度环境，大尺寸和高流动性使得传统成像技术难以解析其精细结构【2】。尤其是染色质凝聚体【3】——作为基因存储与调控的核心单元，其内部核小体的空间排列规律长期缺乏直接观测证据。

1. 高压冷冻技术攻克制备难题(图1A)

传统制样方法（如滤纸吸样）会导致凝聚体变形、核小体解聚（图1B）。研究团队创新性地优化了高压冷冻（HPF）结合聚焦离子束铣削（Cryo-FIB）方法，成功将直径0.5-3 μm的染色质液滴完整冻结在玻璃态冰中，最大程度保留了天然状态下的空间构象（图1A, B）。

2. 深度学习驱动的三维定位算法

面对凝聚体内部高密度核小体的识别挑战，团队开发了上下文感知模板匹配技术（CATM，图1C），研究团队已公开算法代码【4】。

• 基于Warp, IsoNet进行图像降噪，DeepFinder神经网络初步定位核小体

• 通过多角度模板匹配优化空间位点与取向

• 引入空间排斥原则解决粒子重叠问题

• 该算法在模拟数据中的定位准确率（F1值）达0.99，远超传统方法。

图1.染色质凝聚体成像技术突破。（A）开发新的凝聚体cryo-ET样品制备方法； （B) 新型高压冷冻技术（下）与传统方法（上，中）制备凝聚体冷冻样品效果对比：成功保持染色质凝聚体内染色质的结构；(C) 开发新型图像分析技术（CATM），突破高密度结构解析难题

核心发现：染色质凝聚体的异质网络法则

• 重构体系（体外重组凝聚体）：

• 通过亚断层平均，获得6.1 Å分辨率的核小体精细结构。

• 通过图论分析发现, 核小体通过可变价态相互作用形成异质网络（图2A, B）

• 表面核小体成簇概率低于内部，揭示了相分离界面张力的分子基础（图2C）

图2. 染色质凝聚体内部异质网络特征。(A) 冷冻电镜断层成像首次揭示核小体在重构体系中的三维分布；(B) 发现核小体呈随机取向，通过动态网络形成异质性结构； (C) 表面区域分子成簇概率显著低于内部，揭示表面张力的分子机制。

• 原位体系（HeLa 细胞核及 NIH3T3 细胞）：

• 哺乳动物细胞核中鉴定出两类核小体（12Å与22Å分辨率），可能对应连接组蛋白的结合状态差异, 二者在细胞核内呈现高度随机分布 （图3A,B） 。

• 核小体形成异质网络（图3C），与体外重组凝聚体高度相似。

图3. 天然染色质与重构体系的普适规律。 (A) 哺乳动物细胞核内染色质断层成像（B） 发现两种核小体结构状态（含/不含连接蛋白）(C) 天然染色质也呈现"致密簇+松散区"的混合结构，和体外重构的染色质凝聚体相似。

应用前景：

该技术平台具有广泛适用性：

• 基础研究：解析转录凝聚体、应激颗粒等动态组装体的原位结构，打开相分离研究的黑箱

• 疾病机制：揭示神经退行性疾病相关蛋白凝聚体的病理组装特征

• 药物开发：为靶向相分离界面和内部的人工调控提供结构基础

Michael Rosen 实验室的博士后周华斌是该文的第一作者，Michael Rosen 和加州大学圣地亚哥分校的Elizabeth Villa为该文的共同通讯作者。该工作还得到了HHMI Janelia Farm 电镜中心，西南医学中心电镜中心和结构实验室的大力支持。

https://www.pnas.org/doi/epub/10.1073/pnas.2426449122

制版人： 十一

参考文献

1. Zhou H, et al. Quantitative spatial analysis of chromatin biomolecular condensates using cryoelectron tomography,Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (19) e2426449122, https://doi.org/10.1073/pnas.2426449122 (2025).

2. Banani SF, et al. Biomolecular condensates: organizers of cellular biochemistry.Nat Rev Mol Cell Biol.2017

3. Gibson BA, et al. Organization of Chromatin by Intrinsic and Regulated Phase Separation.Cell.2019

4. Zhou H, Context Aware Template Matching (CATM) for Cryo-ET data analysis. GitLab. https://git.biohpc. swmed.edu/rosen-lab/catm. Deposited 3 December 2024.

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