高速原子力显微镜有助于解释某些生物分子在DNA包裹动力学中的作用

在动植物中，携带遗传信息的DNA的基本包装单元是所谓的核小体。核小体由缠绕在八种蛋白质（组蛋白）上的一段DNA组成

在基因表达过程中（蛋白质产生的基础），核小体参与各种动态结构变化，如核小体滑动、DNA展开和其他DNA&ndash；组蛋白相互作用。在这些过程中特别重要的是组蛋白的末端结构或尾部

组蛋白尾部经过化学修饰，根据需要改变组蛋白的功能。核小体动力学的详细研究，尤其是可视化，对于更好地理解组蛋白尾部的作用至关重要

金泽大学的Mikihiro Shibata及其同事现在已经成功地制作了无尾核小体的视频记录，表明组蛋白尾部的缺失显著增加了核小体的动态活性。这项研究发表在《纳米快报》上

科学家们使用了高速原子力显微镜（HS-AFM），这是一种强大的纳米成像工具，用于以高空间和时间分辨率可视化分子结构及其动力学

为此，需要将核小体放在基质上。Shibata及其同事使用一层所谓的柱[5]芳烃（具有五边形管状结构的分子）膜作为基底，形成了一个理想的表面，因为核小体很容易被吸附在上面，而动力学过程不会受到抑制

研究人员首先观察了八种组蛋白都没有尾巴的核小体。基于他们的HS-AFM观察，他们得出结论，核小体滑动和DNA展开/重写比正常（规范）核小体更频繁。这表明，在没有尾部的情况下，组蛋白&ndash；DNA相互作用减弱，导致DNA更容易与组蛋白分离

为了更好地理解特定组蛋白尾部的作用，Shibata及其同事制备了一种类型的组蛋白无尾部的核小体。有四种不同类型的组蛋白，称为H2A、H2B、H3和H4。对核小体的HS-AFM实验表明，H2B和H3无尾核小体表现出增加的动力学频率。相反，这意味着规范的H2B和H3组蛋白对核小体的稳定性至关重要

科学家们指出，他们无法观察到组蛋白尾部的任何实际运动&mdash；最有可能的是，这项研究的时间分辨率，0.3秒，比尾巴的包裹/展开动力学的速度慢得多。尽管存在这种局限性，Shibata及其同事的工作清楚地证明了H2B和H3组蛋白的尾部是核小体动力学的主要贡献者

关于未来的工作，引用研究人员的话，“标记组蛋白尾部尖端的技术可能使HS-AFM能够捕捉组蛋白尾部本身的运动。”

高速原子力显微镜

原子力显微镜（AFM）的一般原理是使非常小的尖端扫描样本表面。在这种水平（xy）扫描过程中，连接到小悬臂上的尖端遵循样品的垂直（z）轮廓，在悬臂上产生可以测量的力

在xy位置的力的大小可以与z值有关；在扫描期间生成的xyz数据然后导致提供关于所研究样本的结构信息的高度图。在高速AFM（HS-AFM）中，工作原理略为复杂：使悬臂在其共振频率附近振荡

当尖端在表面周围移动时，悬臂振动振幅（或频率）的变化&mdash；尖端与样品表面相互作用产生的结果&mdash；因为这些提供了对局部z值的测量。AFM不涉及透镜，因此其分辨率不受所谓衍射极限的限制，例如在X射线衍射中

HS-AFM产生视频，其中帧之间的时间间隔取决于生成单个图像的速度（通过xy扫描样本）

金泽大学纳米生命科学研究所（WPI NanoLSI）的研究人员近年来进一步开发了HS-AFM，使其可以应用于实时研究生物化学分子和生物分子过程。Mikihiro Shibata及其同事现在已经将该方法应用于详细研究核小体动力学，特别是组蛋白分子末端的作用&mdash；在DNA可及性中起关键作用的蛋白质