科学家首次捕获细胞DNA液滴高清三维图像

研究人员利用冷冻电子断层扫描技术以前所未有的精度观测染色质凝聚体，揭示了DNA在细胞内的压缩机制。

将六英尺（约1.8米）长的DNA塞进比人类发丝更细的细胞核 —— 这或许是生命最极致的空间压缩奇迹。而生物学每分每秒都在以工程师梦寐以求的精度实现着这种遗传物质的压缩。DNA缠绕蛋白质形成核小体，这些结构如同串珠般连接。这些"珠串"进一步折叠成染色质纤维，最终构筑成细胞核的致密空间结构。

但多年来有个谜团始终未解：染色质如何在高度压缩的同时保持功能活性？

窥探液滴内部

2019年，德州大学西南医学中心迈克尔·罗森团队发现，实验室中合成的核小体可以融合成无膜液滴状凝聚体。这种类似油滴在水中的相分离现象，可能模拟了染色质在细胞内的压缩机制。要真正理解这些液滴的物理结构和特性，科学家需要透视其内部——这意味着必须对凝聚体内的单个染色质纤维和核小体进行成像，而这正是此前所有团队未能实现的突破。

如今，来自德州大学西南医学中心、加州大学圣地亚哥分校、剑桥大学及霍华德休斯医学研究所珍妮莉亚研究园区的联合团队，成功捕获了合成染色质凝聚体内部分子迄今最清晰图像。借助珍妮莉亚园区的前沿成像技术，团队首次观测到染色质纤维和核小体在这些液滴结构中的排布方式，并将相同技术应用于天然细胞染色质研究。

冷冻-减薄-成像三部曲

团队采用冷冻电子断层扫描技术，该技术能在近天然状态下生成生物分子的三维重构图像。研究首先将样本速冻至零下180摄氏度，固定所有分子位置；随后运用冷冻聚焦离子束研磨技术，将样本切割成100纳米厚度的超薄切片；最后通过冷冻电镜从多角度捕获每一切片的数十幅投影图像，经计算处理拼接成凝聚体及其分子排布的三维高清图谱。

结合计算机模拟与光学显微镜数据，团队绘制出染色质纤维相互作用形成液滴网络的动态图景。研究发现，连接核小体的"接头DNA"长度对纤维在凝聚体内的组织方式起关键作用。这些结构特征解释了为何某些染色质类型更容易发生相分离，以及不同凝聚体为何呈现差异化的材料特性。

团队同时证实，合成凝聚体高度模拟了细胞内DNA的真实压缩状态。"这项研究首次将单个分子结构与凝聚体的宏观特性关联起来，"罗森表示，"我们确信这只是冰山一角。"论文第一作者周怀斌补充说："理解凝聚体行为有助于揭示异常凝聚如何导致疾病。通过这项研究，我们将更深入理解病理性的异常凝聚过程。"

该成果为研究基因调控、应激反应和细胞组织中的其他生物分子凝聚体提供了全新框架，将帮助科学界揭示这些无膜液滴如何维持细胞功能，以及功能失常时引发的后果。

相关研究发表于《科学进展》期刊。

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