基因水平的体外重组实验表明，组蛋白乙酰化直接调控着染色质的结构

《SCIENCE ADVANCES》：Gene-scale in vitro reconstitution reveals histone acetylation directly controls chromatin architecture

染色质结构调控机制研究。通过精确控制组蛋白修饰的体外染色质重组技术，构建20kb长度的96核小体阵列，发现H4乙酰化密度增加导致染色质链刚度增强，显著改变核小体间动态相互作用。单分子显微显示乙酰化组间松弛时间缩短，接触频率按-1.5次幂衰减，与高斯链模型吻合。体外Hi-C证实异质修饰模式能自发形成具有绝缘特性的染色质结构域，且与生理盐浓度下的接触模式相似。该体系为解析染色质物理机制提供了新工具。

　　科学家们通过构建具有特定组蛋白修饰模式的染色质阵列，探索了表观遗传修饰如何影响染色质结构。这项研究解决了在体外精确控制组蛋白修饰模式的难题，同时保留了染色质的长度尺度，使研究者能够深入分析基因尺度的染色质组织。实验中，科学家们利用人类组蛋白八聚体和特定设计的DNA序列，构建了20千碱基（96-核小体）的染色质阵列，其中每个核小体的修饰模式可以在12-核小体的分辨率上精确控制。通过单分子显微镜技术，他们观察到核小体的动态变化，发现组蛋白H4的乙酰化密度增加会增强结构的波动性和弛豫时间。此外，体外Hi-C实验显示，核小体之间的接触频率呈现幂律衰减，这与高斯链模型一致，表明乙酰化会整体降低接触频率。同时，科学家还发现，异质修饰模式足以在体外形成类似高级结构的区域，这种现象可能由修饰差异导致的压缩程度和核小体接触频率的不同所驱动。

这一研究的重要意义在于，它揭示了表观遗传修饰如何通过改变局部刚性和核小体间的相互作用，从而调控染色质结构。传统的研究方法往往难以模拟体内复杂的长距离组织，因此，科学家们通过构建体外系统，为研究染色质的动态特性提供了新的工具。实验中，研究人员发现，乙酰化核小体之间的接触频率比未乙酰化核小体低，这可能与乙酰化弱化了核小体间的相互作用有关。此外，研究还发现，乙酰化增强了染色质链的刚性，使得其在高盐浓度下表现出更大的波动性。这些发现表明，乙酰化不仅影响染色质的物理特性，还可能通过改变核小体的相互作用模式，影响基因表达和调控过程。

通过这些实验，科学家们不仅验证了乙酰化对染色质结构的调控作用，还进一步探讨了这种调控如何影响染色质的动态行为。例如，他们发现，乙酰化会导致染色质链的弛豫时间延长，这可能与核小体间的相互作用减弱有关。同时，乙酰化还会影响染色质的扩散系数，使其在低盐浓度下表现出更大的扩散性。这些发现表明，乙酰化不仅改变了染色质的物理结构，还可能通过影响核小体的动态行为，间接调控基因的可及性和表达水平。

在体外Hi-C实验中，科学家们进一步分析了不同乙酰化模式对染色质结构的影响。他们发现，对于异质修饰的染色质阵列，接触频率的分布呈现出显著的差异，这表明乙酰化能够诱导特定的结构域。通过计算绝缘评分，他们进一步确认了这些结构域的存在，并发现乙酰化区域表现出较低的接触频率，这可能是因为乙酰化改变了局部的压缩状态，从而影响了核小体之间的相互作用。这些结果不仅验证了乙酰化对染色质结构的调控作用，还为理解基因调控机制提供了新的视角。

此外，研究还探讨了不同长度的连接DNA对染色质结构的影响。科学家们发现，连接DNA的长度会影响染色质的物理特性，例如刚性和接触频率。通过改变连接DNA的长度，他们能够系统地研究不同修饰和连接DNA长度对染色质结构和功能的影响。这些发现为未来研究染色质的组织机制提供了重要的参考，同时也为开发新的基因调控工具奠定了基础。

研究还发现，乙酰化不仅影响染色质的物理结构，还可能通过改变核小体间的相互作用，影响染色质的动态行为。例如，乙酰化导致的核小体间相互作用减弱可能使得染色质链更容易发生结构波动，从而影响基因的可及性和表达。这些发现表明，乙酰化在调控基因表达和染色质动态行为方面具有重要作用，同时也为理解表观遗传调控机制提供了新的视角。

最后，研究强调了构建体外系统的重要性。通过精确控制组蛋白修饰模式和连接DNA长度，科学家们能够系统地研究染色质的组织和动态特性。这种可控的体外系统不仅有助于揭示表观遗传修饰如何影响染色质结构，还能够为未来的基因调控研究提供重要的工具和方法。研究结果表明，乙酰化在调控染色质结构和动态行为方面具有重要作用，而这些调控作用可能与染色质的物理特性和核小体间的相互作用密切相关。