歷史總是充滿了巧合。
1953年4月25日，英國卡文迪什實驗室的克里克（F.H.C. Crick）與來自美國的沃森（J.D.Watson）共同在《自然》雜志上發(fā)表了題為《DNA分子結構——一種可能的結構》的論文，指出DNA具有雙螺旋結構和自我復制機制。1957年，克里克又提出了著名的“中心法則”，解決了DNA如何復制與傳遞遺傳信息的難題。
DNA雙螺旋結構的理論有著劃時代的意義，是20世紀最偉大的科學成果之一。在此基礎上，科學家們成功地研究出了基因療法、轉基因作物、生物克隆技術和DNA鑒定技術，因而克里克和沃森被生物學界一致譽為20世紀最有影響的科學家。
無獨有偶，同樣是4月25日（2014年），美國《科學》雜志報道了中科院生物物理所一項關于30納米染色質高級結構解析的研究成果，標志著一個塵封30多年的謎題被解開了。
此前，科學家們已經知道，遺傳信息DNA是經過凝縮之后聚集在只有幾個微米的細胞核里的，其核小體以密集堆積的方式形成了一種直徑為30納米左右的管狀螺旋體，即30納米染色質纖維。一個細胞中的DNA加起來有2米長，這么長的DNA怎樣組裝成僅有幾微米大小的細胞核？30多年來一直是現代分子生物學領域的困擾。
每個細胞都是從單個受精卵細胞發(fā)育分化而來，具有相同的遺傳信息。然而，人體卻有著200多種不同的細胞，雖然它們具有相同的遺傳信息，但是它們的形態(tài)和生理功能卻大相徑庭。2009年，西班牙和美國科學家分析了一對同卵雙胞胎的全基因組，發(fā)現其中一個人的基因正常，另一個人卻患有一種與遺傳有關的疾病——紅斑狼瘡。這一結果意味著，雖然DNA被人們稱為遺傳信息的載體，但DNA在生命體內并不是獨立存在的，任何遺傳信息的傳遞和調控等生命活動都是在DNA與其纏繞的蛋白質所形成的染色質這個“生命信息載體”上進行的。
經過多年來的研究，普遍認為生命體通過調控細胞核內染色質結構（特別是30納米染色質高級結構）的動態(tài)變化來有選擇地進行基因的激活和沉默，從而控制細胞自我維持或定向分化，決定細胞的組織特異性和細胞命運，進而形成復雜的組織、器官和個體。所以有專家表示，研究染色質的高級結構及其調控機制，對于理解細胞增殖、發(fā)育及分化過程中一些重要基因的表達差異及表觀遺傳學調控機理具有重大意義。
然而，染色質的高級結構變化卻像一個“黑箱子”，科學界對此一直沒有搞清楚。當科研究人員遭遇一些不能解釋的現象時，只好懵懵糊糊歸結為“該因子以某種方式改變了染色質的高級結構”。因此，30納米染色質結構一直是染色質和表觀遺傳學領域的“老大難”問題。中科院生物物理所研究員李國紅表示，結構都未被解析，表觀遺傳信息對其結構乃至更高級染色質結構的影響是無從談起的。只有啃下這塊“硬骨頭”，人類在認識自己的道路上才能走得更遠。
在結構生物學中，采用X射線晶體、核磁共振等方法，面對30納米染色質纖維這樣一個超大分子復合體都顯得無能為力。生物物理所研究員朱平專長冷凍電鏡三維結構研究，他與長期從事30納米染色質及表觀遺傳調控研究的李國紅協同配合，各自發(fā)揮優(yōu)勢，共同搭建了一套染色質體外重建和結構分析平臺，為應用新的研究手段——冷凍電鏡鋪平了道路。
制備樣品是另一大難題。在人體內，任何環(huán)境細微的變化都會引起30納米染色質的很大變化，在體外環(huán)境下就更難得到高度均一的樣品。為此，李國紅設計了一種體外自組裝方法，精確控制實驗環(huán)境，使其盡可能與體內環(huán)境接近，最終成功制備出合格的樣品。
終于，中國研究團隊在國際上率先解析了30納米染色質的高清晰三維結構：30納米染色質纖維以4個核小體為結構單元，各單元之間通過相互扭曲折疊形成一個左手雙螺旋的高級結構。與此同時，還明確了組蛋白H1在30納米染色質纖維形成過程中的重要作用。這是一項可以寫進教科書的成果，因為在現代生物學教科書中，30納米染色質纖維一直被描述為由6個核小體組成的中空螺線管。
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附：1953年沃森和克里克發(fā)現DNA雙螺旋結構的論文：
我們擬提出脫氧核糖核酸(DNA)鹽的一種結構。這種結構的嶄新特點具有重要的生物學意義。
鮑林和考瑞曾提出過一個核酸結構。他們在發(fā)表這一結構之前，欣然將手稿送給我們一閱。他們的模型包含磷酸接近纖維軸，堿基在外周的三條多核苷酸鏈。我們覺得這樣的結構是不夠滿意的，其理由有二：
(1).我們認為進行過X射線衍射分析的樣品是DNA的鹽而不是游離的酸。沒有酸性氫原子，接近軸心并帶負電的磷酸會相互排斥。在這樣的條件下，究竟是什么力量把這種結構維系在一起，尚不清楚。
(2).范德瓦爾力矩似顯太小。弗雷澤曾提出過另外一種三條多核苷酸鏈的結構(將出版)。在他的模型中，磷酸在外邊，堿基在內部，并由氫鍵維系著。他描述的這種結構也不夠完善，因此，我們將不予評論。
我們擬提出一個完全不同的脫氧核糖核酸鹽的結構。該結構具有繞同一軸心旋轉的兩條螺旋鏈(見圖)。根據化學常識我們假定，每條鏈包括聯結β-D-脫氧呋喃核糖的3′、5′磷酸二酯鍵。兩條鏈(不是它們的堿基)與纖維軸旋轉對稱垂直，并呈右手螺旋。由于旋轉對稱性，兩條鏈的原子順序方向相反。每條鏈都與弗爾伯格的第一號模型粗略地相似，即堿基在螺旋內部，磷酸在外邊。
糖的構型及其附近的原子與弗爾伯格“標準構型”相似，即糖和與其相聯的堿基大致相垂直。每條鏈在z向每隔3.4埃有一個核苷酸。我們假定，同一條鏈中相鄰核苷酸之間呈36度角，因此，一條鏈每10個核苷酸，即34埃出現一次螺旋重復。磷原子與纖維軸之間的距離為10埃。因為磷酸基團在螺旋的外部，正離子則易于接近它們。
這個結構模型仍然有值得商榷之處，其含水量偏高，在含水量偏低的情況下，堿基傾斜，DNA的結構會更加緊湊些。這個結構的一個新特點就是通過嘌呤和嘧啶堿基將兩條鏈聯系在一起。堿基平面與纖維軸垂直。一條鏈的堿基與另一條鏈的堿基通過氫鍵聯系起來形成堿基對。兩條鏈肩并肩地沿共同的“之”向聯系在一起。為了形成氫鍵，堿基對中必須一個是嘌呤，另一個是嘧啶。在堿基上形成氫鍵的位置為嘌呤的1位對嘧啶的1位，嘌呤的6位對嘧啶的6位。
假定核酸結構中堿基僅以通常的互變異構形成(即酮式而非醇式構型)出現，則只能形成專一的堿基對。這些專一堿基對為：腺嘌呤(嘌呤)和胸腺嘧啶(嘧啶)，鳥嘌呤(嘌呤)和胞嘧啶(嘧啶)。
換言之。按照這種假設，如果一個堿基對中有一個腺嘌呤，在另一條鏈上則必然是胸腺嘧啶。同樣地，一條鏈上是鳥嘌呤，另一條鏈上必是胞嘧啶。多核苷酸鏈的堿基順序不受任何限制。因此，如果僅僅存在專一堿基對的話，那么，知道了一條鏈的堿基順序，則另一條鏈的堿基順序自然也就決定了。
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