众所周知，核小体是染色质的基本结构单位，由DNA和组蛋白构成。在基础研究和临床诊治中有着非常重要的意义。例如，在75%的系统性红斑狼疮的患者体内发现抗核小体抗体的存在。因此，揭示核小体的结构动力学是阐明基因组调节机制中的重要一环。为了解决这一难题，科学家们开发出来一种全新的技术——单分子荧光共振能量转移技术 (single molecule fuorescence resonance energy transfer, smFRET)。CELL综述《Structural dynamics of nucleosomes at single molecule resolution》。综述详细解释和阐述了这一最新的技术。

什么是smFRET技术？

在smFRET技术出现之前，分子生物学研究往往只检测特定时间内的大量分子的平均行为。例如，我们经常做的Western Blot，是检测大量的氨基酸分子的表达。但是，生物体系并不是一个均一的体系。所以，检测单个分子的行为具有更加重要的意义。

smFRET技术的原理就是将2个相互作用的分子标记上颜色不同的荧光基团，一个是在能量转移过程中提供能量，即供体D(donor);另一个接受能量，即受体A(acceptor)。这样可以运用荧光共振能量转移 (fuorescence resonance energy transfer, FRET) 技术来对体系进行研究。因此，比单个荧光基团标记更具有优势，称为单分子荧光共振能量转移(single molecule fuorescence resonance energy transfer,smFRET) 技术。

令人欣喜的是，这项技术是由华人科学家发明的，还是位美女哈。这就是大名鼎鼎的美国哈佛大学庄小威(Xiaowei Zhuang)教授。庄教授早年毕业于中国科技大学少年班，后赴美留学和工作。一路顺风顺水，年纪轻轻地在34岁的时候就成为了哈佛大学正教授，并且在2012年成为美国科学院院士，是目前为止最年轻的美国科学院华人院士。

smFRET技术在核小体结构动力学研究中的应用

smFRET技术近年来发展迅猛，在研究核小体的结构动力学方面发挥了重要的作用。当单个荧光基团 (fuores-cence fuorophore) 标记到目标分子后，它能在多方面去探测目标分子。从而可以通过荧光成像技术可以了解目标分子在细胞内的空间分布。由于其能在单个分子内或分子复合物中，以纳米级别，实时追踪变化，因此可用于解答许多重要的生物学问题。

利用单分子荧光能量转移，实现了多色随机光学重建显微法(multicolor stochastic optical reconstruction microscopy)，从而对核小体进行实时监控，以获得相关的动力学数据。

smFRET技术在DNA和组蛋白相互作用研究中的应用

在细胞核中，基因组DNA紧紧地包裹在组蛋白上面形成了八聚体结构的核小体。这样可以使DNA受到良好的保护，但是也影响了DNA作为转录模板的功能。因为，在如此严丝合缝的包装下，介导DNA转录的酶很难接触到DNA，也就无法执行其正常的功能。正因为如此，科学家们设想DNA在某种条件下是可以局部释放出来的。

通过smFRET技术发现，包括组蛋白分子伴侣在内的核小体重塑因子，可以使染色质保持动态，使得DNA在适当的时候局部释放出来，即从核小体上面解开，从而实现基因组DNA作为转录模板的功能。

综上所述，随着对分子生物学研究的逐渐深入，科学家们开始解析单个分子的行为，这是因为即使是同样的遗传物质，同样的周边环境，这些分子还是会朝着不同的方向发展，有时还会生成不同的功能，而且单个分子的变化还关系到癌症，神经疾病等疾病的发生和发展。另一方面，分析单个分子的动力学就更加困难了。因为以往的研究往往是静态的，动态的研究还需要物理学，机械学，和生物学的多方配合，而smFRET技术很好地解决了这一问题，正在基础研究和临床诊疗领域得到越来越广泛的应用。

参考文献：Structural dynamics of nucleosomes at single molecule resolution

来源：解螺旋

2016-06-10