一个容易混淆的问题：染色体“变短”和“变密”，其实不是一回事
过去讨论有丝分裂染色体凝缩时，凝缩蛋白（condensin）几乎无法绕开。
Condensin属于染色体结构维持蛋白（structural maintenance of chromosomes, SMC）家族，可以通过环挤出（loop extrusion）组织染色质，使长链DNA沿染色体轴重新排列，从而显著缩短染色体的纵向尺度。
问题在于：长度变短，并不能自动解释密度升高。
中期染色体中的染色质密度可以超过25%，已经接近蛋白质晶体的物质密度。更值得注意的是，已有实验发现，当细胞中的condensin被快速降解后，染色体虽然失去了正常的柱状结构，聚集成一个无定形团块，但这个团块的染色质密度与正常有丝分裂染色体几乎没有区别。
|
condensin很重要，但它主要解决的是染色体如何组织成正确形状的问题；染色质为什么进入高密度状态，则可能是另一个物理过程。 |
这正是这项研究切入的地方。
研究人员将纯化的有丝分裂染色体放入可以精确控制溶液条件的流动池中，让染色体反复经历去凝缩和再凝缩，并实时定量测量其体积和形态。
当多价阳离子被完全移除后，染色体体积最多可以膨胀约一个数量级。
然而，膨胀并不是随机“散架”。
研究人员比较了54条染色体膨胀前后的三维结构。如果假设染色体沿三个空间方向等比例膨胀，计算结果与实际观察到的三维形态之间，Pearson相关系数达到 0.957±0.023。
换句话说，染色体基本是在三维空间中各向同性（isotropic）地膨胀。
这条信息非常关键。
因为它意味着染色体并不像一个单纯沿某个轴排列的“刷状聚合物”，也不像失去约束后会逐渐扩散掉的普通聚合物团，而更像一个具有内部连通性的三维网络。
膨胀10倍以后还能“恢复原样”，说明染色体内部存在一张网络
如果一个结构只是由分子临时聚集形成，那么将它大幅膨胀，再重新压缩之后，微观形态往往很难高度复现。
染色体却表现出了令人注意的“形态记忆”。
研究人员让140条染色体连续经历多轮凝缩—去凝缩循环。每一次回到凝缩状态时，染色体形态之间的平均相关系数达到 0.983±0.022；每一次重新进入去凝缩状态时，相关系数也达到 0.945±0.033。
相比之下，同一条染色体的凝缩态和去凝缩态之间，相关系数只有 0.198±0.118。
也就是说，染色体可以发生巨大尺度变化，却又能反复回到高度相似的两个终点状态。
这种行为指向一个重要结论：染色质内部很可能存在持续的、可逆的交联（cross-linking）网络。在膨胀过程中，这张网络被拉伸和重新组织，却没有整体解体。
这也是为什么研究人员将染色体描述为一种聚电解质凝胶（polyelectrolyte gel）。
“凝胶”这个词在这里并不是形容词，而是一个具有明确物理含义的材料状态。
为什么染色体会吸水膨胀？答案藏在DNA没有被完全中和的负电荷里
DNA骨架带有大量负电荷。即使DNA包裹在组蛋白（histone）周围，研究估计仍然只有大约一半的DNA电荷被中和。
剩下的大量固定负电荷必须吸引阳离子进入染色体内部，以维持电中性。
于是，一个经典的物理化学机制出现了——Donnan效应（Donnan effect）。
当凝胶内部固定电荷的浓度高于外部时，为保持电中性，内部会积累更多可移动反离子（counterion）。由此产生的离子浓度差带来渗透压，水被推动进入网络，染色体随之膨胀。
但水又不能无限进入。
原因在于染色质纤维之间存在交联。网络被拉伸后会产生弹性恢复力，抵抗进一步膨胀。
于是染色体体积实际上由几种自由能共同决定，包括聚合物与水的混合、网络弹性、Donnan离子渗透压，以及多价阳离子与染色质之间的结合。
研究人员把这些因素写入经典聚电解质凝胶理论，并专门加入反离子结合（counterion binding）项。
随后，他们用精胺（spermine）、亚精胺（spermidine）、腐胺（putrescine）和甲胺（methylamine）进行实验。这四种分子在中性条件下大致分别携带4、3、2和1个正电荷。
|
在相同实验体系中，使染色体达到半最大效应所需的浓度大约分别为： 精胺 310 nM ｜ 亚精胺 12 μM ｜ 腐胺 1.4 mM ｜ 甲胺 44 mM |
正电荷每增加一个，凝缩能力都会大幅增强。模型拟合得到，每增加一个胺基对应的增量结合自由能约为 −4.5 kBT，也就是约−11 kJ/mol。
更重要的是，研究人员特意把亚精胺数据从模型参数拟合中拿掉，再利用其他数据建立模型，最后反过来预测亚精胺的凝缩曲线。
预测与实验结果依然高度吻合。
这意味着模型并不只是“事后把曲线拟合得漂亮”，而具备一定的交叉验证预测能力。
最反直觉的实验：盐越少，染色体先膨胀，随后竟然又缩回去了
如果染色体凝缩只是因为盐屏蔽了DNA之间的静电排斥，那么逻辑似乎很简单：
盐越多，屏蔽越强，染色体越紧；盐越少，染色体越松。
但实验并不是一条单调曲线。
随着单价盐浓度降低，染色体确实逐渐膨胀。然而，当离子强度进一步下降到亚毫摩尔范围时，已经膨胀的染色体反而重新凝缩。
这正是Donnan理论可以预测、而简单“静电屏蔽模型”难以解释的现象。
在极低离子强度下，凝胶内部的反离子组成发生变化，水合氢离子比例升高，并对固定带电基团发生质子化，从而降低网络的有效负电荷。Donnan势随之减弱，推动水进入染色体的渗透压力消失，染色体重新收缩。
更有意思的是，盐浓度继续升到很高时，体系又可以出现再入去凝缩（reentrant decondensation）。
因此，染色体的体积不是简单由“盐多还是盐少”决定的，而是离子价态、离子浓度、结合能力、网络弹性和溶剂热力学共同作用的结果。
染色体开始显现出一种典型软物质系统的行为。
真正关键的问题出现了：染色体不是连续缩小，而是在两个“状态”之间切换
如果染色体只是随着环境逐渐变化而连续压缩，那么“凝缩程度”应该像调节音量一样平滑变化。
但实验出现了两个非常重要的物理现象：
滞后（hysteresis）和相共存（phase coexistence）。
当研究人员改变pH或者精胺浓度时，从去凝缩状态走向凝缩状态，与从凝缩状态反向走回去，并不是沿同一条路径发生。
同样一个环境参数下，染色体究竟处于哪个状态，取决于它“从哪里来”。
这就是滞后。
它意味着体系存在亚稳态（metastable state）和自由能势垒，是一阶相变（first-order phase transition）的重要特征之一。
研究人员还直接观察到，一条染色体内部可以同时存在明显的凝缩区域和去凝缩区域。当改变溶液条件后，两种状态之间的边界会沿染色体移动，一种状态逐渐扩大，最终取代另一种状态。
这就是相共存。
|
染色体是一种双态凝胶，可以处于膨胀的凝胶态，也可以处于塌缩的凝胶态，两种状态之间通过体积相变进行转换。 |
从聚合物物理角度看，这可以理解为染色质发生线团-球状转变（coil-globule transition）后，在存在交联网络的情况下，其宏观表现形式变成了凝胶的体积相变。
一个重要区别：这里讨论的“相变”，并不等于把染色体简单解释成液滴
过去几年，液-液相分离（liquid-liquid phase separation, LLPS）成为理解细胞内无膜结构的重要框架，染色质也常被放进这个语境中讨论。
这项研究提出了不同的材料学判断。
研究人员并不否认染色质能够发生相分离，但认为完整染色体的物理性质不能仅用液体或聚合物熔体来解释。
原因之一是：液体最终会发生流动，而染色体能够在持续受力和渗透压作用下维持整体形状，并表现出明显弹性。
更关键的是，一个普通液滴缺乏持续贯穿整个结构的网络，难以解释染色体在体积扩大近10倍之后依然不溶解，并能重新恢复高度相似的形态。
理论拟合进一步给出了一个很有意思的尺度：在中期染色体密度下，染色质网络的有效网孔尺寸（mesh size）约为 3.5 nm。
这个数字恰好与组蛋白尾部可能发挥作用的空间尺度接近。组蛋白尾部随机卷曲时的均方根端到端距离约为 2～4 nm，完全伸展时轮廓长度可以达到约15 nm。
而染色体即使发生10倍体积膨胀，线性尺度也只增加约 2.15倍。换算下来，一个3.5 nm的网络间距只需要扩大到约7.5 nm，并不要求组蛋白尾部被完全拉直。
这使一种“动态交联网络”模型变得很有吸引力：许多短暂、可逆的组蛋白-DNA或核小体-核小体接触持续形成和断裂，单个连接点不断变化，但整个网络始终保持连通。
细胞里的染色体，可能本来就倾向于“缩着”
研究中另一个值得关注的结论是：对于有丝分裂染色质而言，凝缩态可能不是需要额外努力维持的特殊状态，反而更接近生理环境下的默认状态。
细胞内部是高度拥挤的环境，蛋白质等大分子的总浓度可以达到20%～30%。
研究人员利用聚乙二醇（polyethylene glycol, PEG）模拟大分子拥挤（macromolecular crowding）。结果发现，在离子强度只有约6 mM的条件下，5.8% PEG已经能够显著推动染色体凝缩。
相比之下，裸DNA在类似PEG体系中通常需要至少约7.9%的PEG，而且单价盐浓度需要达到约100 mM。
蛋白质同样可以高效推动染色体凝缩。
例如，牛血清白蛋白（bovine serum albumin, BSA）使染色体凝缩的有效浓度约为 68 μM，而裸DNA需要的浓度可超过 2000 μM；溶菌酶（lysozyme）对染色体的有效浓度约为 19 nM，裸DNA则约为 1000 nM。
更值得注意的是，由PEG和蛋白质驱动的染色体凝缩表现出最高可达六阶浓度依赖性，显示出很强的协同性。
因此，只要把染色体放进富含蛋白质、多价阳离子和聚胺的细胞内环境，很多物理因素实际上都在把平衡推向凝缩态。
这带来了一个视角上的转变：
|
也许问题并不是“细胞怎样让染色质凝缩”，而是—— |
组蛋白乙酰化，可能是在调节一张“染色质凝胶”的物理参数
研究人员进一步提出，组蛋白翻译后修饰（histone post-translational modification）可能承担这个调节作用。
其中尤其值得关注的是组蛋白乙酰化（histone acetylation）。
组蛋白尾部富含带正电荷的赖氨酸，可以与DNA磷酸骨架或邻近核小体形成可逆相互作用。赖氨酸乙酰化后，正电荷被中和，这些接触就可能减弱。
在凝胶模型中，这至少可能同时改变三个参数：染色质的有效电荷、交联密度以及聚合物与溶剂之间的相互作用。
其中后者可以用 Flory-Huggins参数χ描述。
模型计算显示，在生理离子强度附近，仅仅改变χ，就可能足以推动一次体积相变。
|
这项研究直接证明的是：分离的有丝分裂染色体具有符合聚电解质凝胶理论的物理行为，并表现出滞后、双稳态和相共存等体积相变特征。 而“细胞通过组蛋白乙酰化在特定基因组区域直接控制这一相变”，目前主要还是研究人员根据模型、既往组蛋白修饰研究以及物理参数提出的机制假说，并不是这项实验已经直接完成的体内证明。 |
但这个假说有一个很吸引人的地方：
它把过去经常分开讨论的“表观遗传修饰”“染色质开放程度”和“材料状态”连接到了同一个物理框架中。
染色体为什么恰好站在“相变边缘”？
研究还留下了一个值得继续追问的数字。
在接近生理离子强度的溶液中，染色体已经达到实验定义下约最大凝缩程度的四分之三，而这一状态又恰好靠近体积相变发生的区域。
这意味着染色体可能处在一个对环境变化特别敏感的位置。
如果距离相变边界很远，改变少量组蛋白修饰、Mg²⁺、聚胺或者染色质结合蛋白，产生的可能只是很小的结构变化。
但如果系统本身就在双稳态边缘，同样程度的分子变化，就可能推动一整片染色质从一个物理状态切换到另一个状态。
|
从调控角度看，这是一种很有吸引力的设计原则：细胞不必持续施加巨大能量去重新塑造染色质，只需要调整几个控制参数，就可能利用材料自身的集体行为完成大尺度结构转换。 |
当然，目前还不能由此直接推出体内每一次异染色质—常染色质转换都属于VPT。研究使用的是分离的有丝分裂染色体，而细胞核中还有转录机器、RNA、核骨架、ATP依赖染色质重塑复合物以及大量空间约束。
这些因素可能强化、削弱，甚至局部改变凝胶模型预测的行为。
因此，这项工作的价值并不是给染色质结构争论画上句号，而是提供了一组可以继续被实验检验的物理量和机制。
以后研究染色质，也许需要多关注几个问题：
一个区域到底有多少有效固定电荷？
它的交联密度是多少？
局部溶剂相互作用怎样变化？
组蛋白修饰改变的究竟只是某个蛋白结合位点，还是同时改变了整片染色质的材料状态？
当这些问题与基因表达、复制和DNA修复联系起来时，我们面对的就不再只是“DNA如何折叠”的问题。
更深一层的问题是：
|
细胞如何利用物理相变，把分子层面的微小化学变化，放大成染色质尺度上的结构与功能转换？ |
这或许才是这项研究最值得继续追下去的地方。
参考文献
