染色体包装。

　1. 能力目标：科学探究基本方法。

　2. 知识目标：染色体包装模型。

　3.思政目标：基于李国红与朱平解析30nm染色质三维结构成果增强民族自豪感，和他们留学回归的爱国情怀。

　李国红与朱平及其解析30nm染色质三维结构介绍。

　借助雨课堂工具讲述，PPT展示，视频播放。

　通过上一节课学习，我们知道，核小体是染色质的基本结构单位，它把直径2nm的DNA分子包装成11nm的串珠结构，使DNA分子长度大约压缩了7倍；即使这样， DNA分子长度依然很长；比如人有60亿碱基对，加起来近2 米长。然而，容纳DNA分子的细胞核直径一般只有5-8um；这就相当于要把一条20公里长的细线塞进网球大小的空间内，那细胞是如何办到的呢？

　原来在蛋白质分子的帮助下，DNA分子以螺旋和折叠的方式压缩近万倍，实现了染色质逐级包装，直至染色体形成；其包装过程可划分四个阶段，即染色体四级包装（如图9-12）。

　具体过程如下：

1.从DNA到核小体。在上一节核小体结构的介绍中我们已知道，每个核小体单位包括200bp左右的DNA超螺旋、一个组蛋白八聚体以及一分子的组蛋白H1。DNA分子非特异性地盘绕组蛋白八聚体1.75圈，然后组蛋白H1锁住核小体DNA的进出端。一系列核小体彼此连接，呈现串珠状结构，这就是染色体一级包装（如图9-11），由美国科学家R. Kornberg等学者在上世纪70年代发现及提出假说，并于1997年解析了单个核小体的原子分辨率结构。

　2.从核小体到螺线管（solenoid）。通过核小体，DNA长度压缩了7倍，形成直径为11nm的纤维。但是染色质不以这种状态存在的，在电镜下观察用温和方法分离的染色质是直径30nm的纤维，这就是染色体包装的二级结构（如图9-11）。由于缺乏合适的研究方法，目前针对这一超大分子的结构包装报道备受争议。教科书上经典解释是：由核小体螺旋化形成，每6个核小体绕一圈，构成外径30nm的中空管，长度压缩6倍。

　然而，我国青年学者朱平和李国红（如图9-13），基于冷冻电镜单颗粒技术，2014年4月25日在《Science》期刊提出了以核小体4聚体为结构单位，通过左手螺旋化构成30nm染色质纤维二级结构（如图9-14）。[30nm染色质视频]。对此成果，多数学者表示： “30nm染色质结构是最基本的分子生物学问题之一，已困扰了研究人员30余年”，该结果是“目前为止解析的最有挑战性的结构之一”，“在理解染色质如何装配这个问题上迈出了重要的一步。

　梅花香自苦寒来，朱平和李国红，都是我国留学回归人才，他们在国外曾辗转多地，历尽艰难，一心拜师求艺。“李国红曾回忆说：‘当时为了能把课题做好，我总感觉心里憋着一股劲，无怨无悔’；‘每天我都得坐城铁上班，单程差不多一个半小时，一般都是早上九点出门，晚上半夜到家，周末也不例外’。然而一旦学艺成熟，他们都义无反顾地回到国内工作，这正是他们时刻不忘祖国，怀抱民族振兴责任之所然。“朱平曾说‘入党二十多年，我一直在努力，为国家贡献力量的初心一直没有动摇过’” 。2018年朱平荣获中科院“新时代科技报国”优秀共产党员称号。他俩的奋斗精神难道不正是我们求学路上的又一标杆吗？！他俩的爱国情怀难道不能激扬我们热血青年的报国之志吗？！

　3.从螺线管到超螺线管（supersoleoid）。至此，李国红和朱平对30nm螺线管纤维的解析丰富了人们对染色体二级结构的认识，对于更高级染色体包装方式，至今尚不明确。目前主要存在两种结构模型，第一种是多级螺线管模型，即由螺线管进一步螺旋化形成直径为0.4um的圆筒状结构，称为超螺线管。比如从人胎儿离体培养的分裂期细胞中分离出的染色体，经温和处理后，在电镜下即可观察到直径为0.4um、长11~60um的染色线，此即为超螺线管。第二种是骨架-放射环结构模型，即30nm的螺线管纤维经折叠成环，沿染色体纵轴骨架，由中央向四周伸出，构成放射环（如图9-15）。比如有丝分裂的染色体、灯刷染色体、间期的唾腺染色体上，都有大量的结合在骨架上的放射环。此为染色体包装三级结构。

　4.从超螺线管到染色体。基于上述两种结构模型，染色体包装四级结构，或是由超螺线管再进一步螺旋折叠，形成直径为0.7um的染色单体；或是由螺线管形成DNA复制环，每18个复制环呈放射状平面排列， 结合在核骨架上形成微带(miniband)，再由大约10⁶个微带沿纵轴形成染色单体；或是在不同的包装阶段两种机制共同起作用。

染色体包装是细胞重要生命活动事件之一，是完成DNA有序复制，基因表达调控和染色体交换、分离等活动的重要保证。当前染色体包装过程划分为四级，即核小体，螺线管（30nm染色体纤维），超螺线管，染色体。

由于研究手段和方法的不足，目前我们对染色体包装的详细过程和动态变化，特别是高级结构包装知之甚少，我国科学家李国红和朱平率先在30nm染色体纤维包装结构上取得了重要突破，将人类破解生命遗传密码的征程大大地向前推进了一步，这是我们祖国的骄傲；同时他们都是留学回归人才，也是心系祖国，奉献人民的典型代表，是我们学习的榜样。

　参考文献

1.丁明孝等.细胞生物学（第5版），高教出版社，2020。

2.王金发.细胞生物学（第2版），科学出版社，2020。

3. 李国红.《我的科学旅途》，《知识分子》博客，2017-5-10。

　https://mp.weixin.qq.com/s?-biz=MzA4NjE1NTQ5Mg.

4.《记中科院朱平研究员：专找难摘的果子》，分析测试百科网，2018-08-06。

　 https://www.antpedia.com/news/35/n-2234635.html.

　一、课程目标考核

　1. 知识目标考核题1

　2. 知识目标考核题2

　3. 能力目标考核题

　4.思政目标考核题

　二、教学目标达成度评价

本节教学目标达成度期望值0.9，通过考核情况看，除知识目标达成值（权重0.4）等于0.90外，能力目标（权重0.4）达成值为0.92，思政目标（权重0.2）达成值为0.98，均大大超过了期望值，本节课整体达成度为0.924，实现了教学目标。

“染色体包装”一节是《细胞生物学》课程基础知识和前沿研究相结合的典型代表，对它的介绍，不仅让学生掌握重要的基础知识点、了解前沿研究热点，而且，引导学生学会“发现问题、提出假设、实验分析、结果验证”的科学研究基本方法、培养学生科学思维技能。

比如：在染色质一级结构的基础上，通过以人46条染色质为例，提出问题，“近2米长的染色质如何储藏于直径只有5~8微米的细胞核内的”，“就像一个网球内如何能塞入20公里长的细线”，形象的比喻唤起学生极大的兴趣，引导学生积极思考。30nm染色质的结构是染色质包装过程中的承上启下的一个关键部分，自被观察到起就一直伴随着争议与困惑。因此“30nm染色质结构是最基本的分子生物学问题之一，已困扰了研究人员30余年”。通常认为是串联核小体的11nm染色质纤维，以6个核小体为单位，通过螺旋化构成二级30nm染色质纤维。然而，我国学者朱平和李国红，基于冷冻电镜单颗粒技术，在《Science》期刊提出了以核小体4聚体为结构单位，通过左手螺旋化构成30nm染色质纤维二级结构。多数学者表示：该结果是“目前为止解析的最有挑战性的结构之一”，“在理解染色质如何装配这个问题上迈出了重要的一步。历史有时就是这样巧合， 61年前（1953年4月25日），英国剑桥大学卡文迪许实验室的沃森（James Dewey Watson）和克里克（Francis Harry Compton Crick）发现了DNA的双螺旋结构，开启了现代分子生物学时代。

在本节教学中尤其重要的是，许多鲜活的优秀科学工作者及科研成果和人生道路能够极大地鼓舞学生的求学干劲和报国担当。

比如朱平和李国红，都是在国内读书，国外深造，分别在2008年和2009年从美国回到中国，以“百人计划”研究员的身份在中科院生物物理所开展研究。他们在国外历尽艰难，拜师求艺。然而一旦学艺成熟，又义无反顾地回到国内，这正是他们时刻不忘祖国，怀抱民族振兴责任之所然。这个事例深深地吸引了学生，产生了强烈共鸣，极大地鼓舞了学生树立奋发有为，报效祖国的理想信念。

　染色质三级和四极结构，目前所知有限，其中Bak和Laemmli两位学者基于染色质某些个别现象观察，分别提出多级螺旋管模型和骨架-放射环模型，并获得多数学者认可。由此可见，科学研究，就是一个在前人工作的基础上不断地发现探索、不断地提升完善的过程；同时告诫学生，任何不踏实地的空想，都是枉然。