核小体：基因调控与细胞衰老的关键角色

核小体：基因调控与细胞衰老的关键角色

核小体是染色质的基本结构单元，由DNA和组蛋白构成，直径约为11纳米。虽然在常规的光学显微镜下无法直接观察到单个核小体，但其在基因调控和细胞功能中扮演着至关重要的角色。近年来，随着研究的深入，科学家们逐渐揭示了核小体在基因表达调控和细胞衰老过程中的复杂机制。

核小体由大约147个碱基对的DNA缠绕在组蛋白八聚体上形成，组蛋白八聚体由H2A、H2B、H3和H4四种组蛋白各两个分子组成。这种结构使得DNA得以高度压缩，同时又保留了在需要时展开的灵活性。核小体不仅是一个静态的结构单元，它还能够通过各种动态变化来调节DNA的可及性，从而影响基因的表达。

组蛋白修饰是核小体调控基因表达的重要方式之一。组蛋白可以发生多种翻译后修饰，包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化和苏木酰化等。这些修饰通过改变染色质的结构或招募特定的修饰因子来影响基因的活性。

以组蛋白乙酰化为例，当组蛋白尾部的赖氨酸被乙酰化时，其正电荷被中和，从而减弱了组蛋白与带负电荷的DNA之间的相互作用。这种变化使得核小体对DNA的控制放松，转录机制得以进入DNA，从而激活基因表达。

除了组蛋白修饰，组蛋白分子伴侣也在染色质结构和基因表达调控中发挥关键作用。例如，FACT（facilitates chromatin transcription）复合物通过介导组蛋白的置换，在核小体重组过程中发挥重要作用。内蒙古大学生命科学学院那顺布和课题组的研究表明，FACT复合物通过协调全基因组染色质可及性和CTCF结合来调节基因表达。当FACT功能被破坏时，细胞会出现增殖受阻、DNA复制和修复受损等现象，这表明核小体的动态变化对维持正常的细胞功能至关重要。

细胞衰老是一个复杂的生物学过程，受到多种因素的影响，包括端粒缩短、DNA损伤和氧化应激等。近年来的研究揭示了核小体在细胞衰老中的重要作用。美国德克萨斯大学西南医学中心的研究团队发现，小核仁RNA（snoRNA）SNORA13在细胞衰老中扮演关键角色。SNORA13通过调控60S核糖体亚基的生物合成和p53途径来促进细胞衰老。具体来说，SNORA13的缺失会加速60S核糖体亚基的生物合成，减轻核仁应激和p53激活，从而抑制细胞衰老。这一发现揭示了snoRNA在核糖体生物合成和细胞衰老中的新机制。

中国科学院生物物理研究所朱平研究组和李国红研究组合作，解析了由连接组蛋白H5折叠十二个核小体形成的染色质颗粒3.6埃（Å）分辨率的冷冻电子显微镜结构。研究揭示了连接组蛋白H5在染色质折叠和高级结构形成中的关键作用。研究发现，连接组蛋白H5以非对称三点接触方式结合在核小体核心颗粒上，通过其N端结构域和C端结构域与连接DNA的相互作用促进染色质高级结构的折叠和形成。这一发现为理解染色质结构和表观遗传调控机制提供了重要的结构基础。

核小体作为染色质的基本结构单元，其结构和功能的复杂性远超我们的想象。从基因表达调控到细胞衰老，核小体通过各种动态变化和修饰机制，精细地调控着细胞的生命活动。随着研究的深入，我们有望揭示更多关于核小体的秘密，为理解生命现象和疾病机制提供新的线索。