电镜负染色

醋酸铀酰（UA）通常用作生物电子显微镜超薄切片的染色溶液。醋酸铀酰作为一种放射性核材料，受严格的国际法规约束。日本科研人员为了开发一种替代的、易于使用的超薄切片染色方法，研究了各种商用光学显微镜染料。研究人员发现，Mayer' s苏木精(MH)-Reynold’s柠檬酸铅溶液的染色结果与醋酸铀酰-Reynold’s柠檬酸铅溶液的染色结果相当，因此，该方法被认为是可靠且有希望的替代醋酸铀酰染色的新方法。1958年，Watson报道了用醋酸铀酰对生物标本进行电镜染色的方法。此后，醋酸铀酰和铅溶液的双重染色法因其简单和最佳的染色结果，已在世界各地的电子显微镜设备中使用。此外，电子显微镜（EM）中的阵列层析成像（如有连续截面透射电子显微镜（TEM）或扫描电子显微镜（SEM）、连续块面成像SEM）和聚焦离子束SEM）最近在很多生物科学学科中得到了越来越广泛的应用。阵列层析成像比串行块面部成像SEM和聚焦离子束SEM更具灵活性，因为它保留了所有部分。最近的技术进步使我们能够制备300–5000个连续超薄切片标本，用醋酸铀酰染色，并通过TEM获取图像，从而产生万亿字节的数据。在此过程中，需要大量醋酸铀酰。然而，由于严格的国际法规，获得铀酰化合物最近变得很困难。此外，由于它们被用作武器的核材料，预计在世界范围内对其使用以及可用性、储存和处置的限制也将更加严格。虽然已经提出了几种醋酸铀酰替代品用于染色，但没有一种能够有效地替代醋酸铀酰。因此，醋酸铀酰仍是生物研究领域电镜研究的最佳染色液。日本科研人员建立了一种新的染色方法，使用易于处理的预染色剂，作为醋酸铀酰和其他重金属双重染色的替代方法。科研人员检查了光镜方法中常规使用的各种基本染色溶液，以确定替代试剂，该试剂可以染色嵌入环氧树脂中的常规制备的薄片和半薄片。（a–h）小鼠肝脏的EM图像用各种染料染色，然后用RPb染色。用醋酸铀酰、MH、Gill No.3和Kernechtrot以及RPb染色的小鼠肝细胞的定量分析用MH和RPb染色的各种细胞和组织的EM图像铀酰铅染色流程可追溯到1958年。目前（2022年），透射电子显微镜已经发展成为一种对比度极大提高的仪器。现代电子光学、可变加速电压、可变孔径、高对比度和高分辨率图像传感器（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS）相机图像记录以及高性能图像处理软件无疑将改善图像质量，即使是低对比度试样。然而，醋酸铀和铅的双重染色可能仍将在世界各地的许多电子显微镜设备中广泛使用。MH具有以下优势：稳定供应商业和经济可用的染料溶液，无需担心液体废物（因为它广泛用于对临床样本的石蜡切片进行染色以进行诊断）。染色时间为5-20分钟，与醋酸铀酰相同。然而，MH的一个缺点是，它染色为深蓝紫色，这使得在浸泡过程中很难看到网格。这可以通过污染MH溶液液滴上的网格来克服。国际原子能机构的“电离辐射防护和辐射源安全国际基本安全标准”（BSS）规定了具体的豁免水平，国际上正在通过立法制定放射性材料的新法规。如上所述，与使用醋酸铀酰（放射性物质）的染色方法相比，MH RPb染色方法在试剂购买、搬运、储存和废液处理方面是一种简单而有用的方法。参考资料：https://www.nature.com/articles/s41598-022-11523-y

p style=" line-height: 1.5em " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp DNA如何包装成染色体，是科学家们一直努力破解的重要科学问题。近30年来，由于缺乏系统、合适的研究手段，作为染色质包装过程中承上启下的关键部分，30纳米染色质高级结构研究一直是现代分子生物学领域面临的最大挑战之一。 /p p style=" line-height: 1.5em " 　　科学家已经发现，染色质包装分4步完成，对应了染色质的四级结构：第一级结构是核小体 第二级结构是核小体螺旋化形成30纳米染色质纤维 第三级结构是30纳米染色质再折叠成更为复杂的染色质高级结构，即超螺旋体 第四级结构是超螺旋体进一步折叠形成在光学显微镜下可以看到的染色体。 /p p style=" line-height: 1.5em " 　　为解析30纳米染色质的高精度三维冷冻电镜结构，中科院生物物理所研究员李国红课题组及其合作者(朱平课题组和许瑞明课题组)在基金委重大研究计划“细胞编程与重编程的表观遗传学机制”支持下，自主建立了染色质体外组装和冷冻电镜技术(11埃)。利用这一技术，研究人员在国际上首次发现30纳米染色质纤维是以4个核小体为结构单元形成的左手双螺旋结构。同时，连接组蛋白H1在单个核小体内部及核小体单元之间的不对称分布及相互作用促成30纳米高级结构的形成，从而明确了H1在30纳米染色质纤维形成过程中的重要作用。 /p p style=" line-height: 1.5em " 　　2014年4月25日，在DNA双螺旋结构发现61周年的纪念日，《科学》杂志以Double Helix，Doubled(《双螺旋，无独有偶》)为题介绍了这项重要成果，并同期刊发英国剑桥大学教授Andrew Travers撰写的题为The 30-nm Fiber Redux(《30纳米纤维的归来》)的评论。该评论指出：(本文)结果明确地界定了染色质纤维中DNA的走向，解决了染色质到底是单股纤维还是双股纤维这个根本性的问题。本来似乎已经陷入困境的30纳米染色质纤维结构研究，又会重新成为生物学家们继续关注的焦点。该成果发表后受到国内外学术界的广泛关注，被多部世界知名最新版本教科书收录(《生物化学》《结构生物学》等)。 /p p style=" line-height: 1.5em " 　　据李国红介绍，在30纳米染色质纤维结构解析的基础上，他们通过与中科院物理所李明课题组合作，利用单分子磁镊技术对30纳米染色质纤维建立和维持的动力学过程进行了深入的探讨。在后续研究中，研究人员正在建立和完善描绘全基因组染色质结构的MNase-seq技术——gMNase-seq(细胞核内染色质结构分析方法)，通过蛋白质融合或不同大小的金颗粒修饰和改造MNase，提高MNase-seq的空间分辨率，进一步描绘了细胞核内染色质纤维三维结构的动态调控及其分子机制。 /p p style=" line-height: 1.5em " 　　“30纳米染色质纤维结构”先后入选“十八大以来中国科学院重大创新成果”和“中国科学院‘十二五’标志性重大进展核心成果”。该研究成果表明我国科学家在攻克30纳米染色质纤维高级结构这一30多年悬而未决的重大科学问题上取得了重要突破，这使我国在染色质结构研究领域达到国际领先水平。同时，也为预测体内染色质结构建立的分子基础以及各种表观遗传因素对染色质结构调控的可能机理提供了结构基础。 /p p br/ /p

4月25日，Science杂志以长幅研究论文(Research Article)形式发表了中科院生物物理所朱平研究组和李国红研究组合作利用冷冻电镜三维重构技术解析的30nm染色质左手双螺旋高清晰三维结构这一重要研究成果。 　　61年前的同一天(1953年4月25日)，沃森和克里克发表的DNA双螺旋结构模型使生命科学研究深入到分子层次，开启了分子生物学时代。但任何有关DNA的生命活动都是在DNA及其所缠绕的组蛋白组装形成的染色质这个结构平台上进行的。由于缺乏一个系统性的、合适的研究手段和体系，目前对于30nm染色质纤维这一超大分子复合体的精细结构组成还具有很大争议，染色质的高级结构研究一直是现代分子生物学领域面临的最大挑战之一。 　　近年来，冷冻电镜(cryo-EM)技术在结构生物学领域发展迅速，为研究30nm染色质的高级结构及其调控机制提供了一个最为合适的研究工具。依靠多年来在冷冻电镜高分辨率三维重构、30nm染色质及表观遗传调控等领域的长期工作积累，朱平研究组和李国红研究组成功建立了一套30nm染色质体外重建和结构分析平台，利用冷冻电镜单颗粒三维重构方法率先解析了30nm染色质纤维的高分辨率三维结构，这是目前为止最为清晰的染色质高级结构图。该结构揭示了30nm染色质纤维以4个核小体为结构单元 各单元之间通过相互扭曲折叠形成一个和DNA右手双螺旋类似的左手双螺旋高级结构(图1) 结构单元之间的空隙可能是组蛋白修饰、染色质重塑等表观遗传现象发生的重要调控区域。同时，该研究首次明确了连接组蛋白H1在30nm染色质纤维形成过程中的重要作用。这些研究结果为预测染色质结构建立的分子基础以及各种表观遗传因素包括组蛋白变体、组蛋白化学修饰等对染色质结构调控的可能机理提供了可靠的结构基础。本论文评审人评论说&ldquo 30nm染色质结构是最基本的分子生物学问题之一，困扰了研究人员30余年&rdquo ，该结果是&ldquo 目前为止解析的最有挑战性的结构之一&rdquo ，&ldquo 在理解染色质如何装配这个问题上迈出了重要的一步&rdquo 。 　　图1. 30nm染色质左手双螺旋结构模型 ((Song et al, Science，25 April 2014: Vol. 344 no. 6182 pp. 376-380，research article) 　　本研究工作是中科院生物物理所朱平研究组、李国红研究组、许瑞明研究组长期合作获得的重要成果，得到了基金委重点项目(31230018)、基金委细胞编程与重编程重大研究计划项目(91219202，91019007),中丹国际合作项目(21261130090)以及青年基金项目(31000566)等的资助。 　　科技创新需要合作，30nm染色质纤维的高分辨率三维结构的解析正是我国科研人员在合作创新方面的成功范例。在这项研究当中，朱平研究员长期从事冷冻电镜三维结构应用研究，李国红研究员长期从事30nm染色质及表观遗传调控研究，他们二人通过多年的紧密合作，发挥各自专长和优势，在国际上率先解析了30nm染色质的高清晰三维结构，使我国在相关领域的研究处于世界前列。 　　另外，再先进的仪器，只有会用、用好了才能真正发挥出它的作用。在这项研究中采用了世界先进的300千伏Titan Krios冷冻低温透射电镜，但如果没有科研人员对于冷冻电镜的深入理解，若对仪器的理解停留在按说明书来操作，恐怕永远也不会有新的发现。　　 李国红研究员(左)和朱平研究员(右)