染色质凝聚体的多尺度结构解释了相分离现象及其材料特性

《SCIENCE》：Multiscale structure of chromatin condensates explains phase separation and material properties

染色质DNA连接子长度差异调控纳米结构及凝聚体物理性质，25-30bp linker分别形成开放纤维与堆叠构象，影响分子间相互作用强度及粘弹性，其机制与细胞核内染色质致密化现象一致。

　　

编辑总结

线性DNA如何在细胞内折叠成复杂的三维结构长期以来一直是个谜。周等人利用先进的成像和模拟技术表明，一个微小的结构变化——即在核小体（DNA包装的基本单位）之间增加五个DNA碱基——就能显著改变这些核小体之间的排列方式（参见张和拉马尼的观点）。根据这种间距的不同，这些结构体可以表现出液体的特性，也可以具有固体的性质。这些结果展示了微妙的结构特征如何影响染色质的物理性质，为更大尺度上的基因组组织提供了新的见解。——Di Jiang

结构化摘要

引言

生物分子凝聚体是无膜结构，能够集中大分子并参与众多细胞过程。染色质是由DNA和组蛋白组成的复合体，负责存储遗传信息，在试管和细胞中都可以发生相分离形成凝聚体。目前尚不清楚单个DNA-组蛋白单元（核小体）是如何在从单个粒子到可见凝聚体的不同尺度上聚集的，以及这些相互作用如何决定凝聚体的物质性质。在这项研究中，我们通过多尺度研究来探讨这一问题。

研究理由

染色质纤维由通过DNA连接子连接的核小体组成。先前的研究表明，连接子的长度通过某种未知的结构机制影响纤维的相分离。通过结合（i）冷冻电子断层扫描（cryo-ET）来捕捉核小体的组织和纤维结构，（ii）分子模拟来量化组蛋白尾部对核小体相互作用的影响，以及（iii）光镜观察来测量液滴的动力学和粘弹性，我们研究了核小体的纳米级排列如何决定染色质凝聚体的物质性质和稳定性。我们试图建立一个多尺度的结构框架，将DNA连接子的长度、核小体的排列、组蛋白尾部的相互作用以及凝聚体的物质性质联系起来。通过整合各个尺度的信息，我们解释了连接子长度如何调节凝聚体的行为。最后，我们将这些体外制备的凝聚体与细胞内的染色质结构进行了比较。

结果

使用含有25或30个碱基对（bp）DNA连接子的合成染色质纤维，我们发现了连接子长度的不同如何导致不同的分子内几何结构以及由此产生的凝聚体行为变化：

1) 核小体阵列结构：（i）25-bp染色质形成柔软、开放的纤维，核小体朝外；（ii）30-bp染色质采用紧凑的堆叠配置，核小体在纤维内部相互作用，形成双起始螺旋结构；（iii）组蛋白尾部通过不同的方式稳定25-bp和30-bp纤维的构象。

2) 凝聚体中的核小体相互作用：（i）25-bp纤维的构象允许大量的高亲和力分子间相互作用；（ii）30-bp纤维的构象导致较少的、亲和力较低的分子间相互作用；（iii）组蛋白尾部通过不同的方式稳定两种凝聚体类型的分子间接触；（iv）分子间相互作用的不同解释了25-bp和30-bp凝聚体稳定性的差异。

3) 凝聚体的物质性质：（i）紧密连接的25-bp网络形成的凝聚体具有粘性和弹性，分子扩散缓慢，溶解难度高；（ii）连接较弱的30-bp网络形成的凝聚体仅具有粘性，分子扩散较快，可通过乙酰化轻易溶解。

4) 与天然染色质的相似性：人类和小鼠细胞中的密集染色质簇类似于25-bp凝聚体，表现出非随机的排列方式，偶尔会出现堆叠区域。细胞可能利用连接子长度的变化来调节不同尺度上的染色质状态。

结论

通过整合从单个核小体到分子网络的实验和模拟结果，这些研究应用于生化重构的合成染色质和细胞核中的天然染色质，我们证明了DNA连接子长度的变化能够影响从纳米到微米不同尺度上的染色质凝聚体的结构和力学特性。这一多尺度框架揭示了细胞如何通过改变核小体间距、组蛋白修饰或相关因素来切换染色质的物质状态，从而影响基因调控和基因组稳定性。

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不同尺度上的染色质组织。

冷冻电子断层扫描和计算机模拟显示了DNA连接子长度如何控制多尺度上的染色质组织。25个碱基对的连接子使得染色质形成开放、灵活的结构，从而在凝聚体内形成密集的分子网络；而30个碱基对的连接子则使染色质采用紧凑的、分子内部的堆叠构象，形成连接较弱的网络。这些结构差异解释了为什么25-bp凝聚体表现出更强的相分离、更慢的动力学特性和更高的粘弹性。

摘要

生物分子凝聚体内的分子结构和相互作用网络目前了解甚少。通过冷冻电子断层扫描和分子动力学模拟，我们阐明了从单个氨基酸到网络结构不同尺度上的染色质凝聚体的结构。我们发现，核小体间的DNA连接子长度控制着核小体的排列和组蛋白尾部的相互作用，从而决定了凝聚体内外的单个染色质分子的结构。这种结构调节决定了分子内和分子间的相互作用平衡，进而影响了染色质凝聚体的分子网络、热力学稳定性和物质性质。哺乳动物细胞核中含有密集的核小体簇，其非随机的排列方式在重构的凝聚体中得到了体现。我们的工作解释了单个染色质分子的结构如何决定染色质凝聚体的物理性质和细胞内的染色质组织。