一、神秘的缠绕-生命力的第一推动

    DNA分子作为“线型”大分子之后会“自发”获得“螺旋力”。所谓“螺旋力”就是线型大分子因旋转而产生的“缠绕”。DNA分子的缠绕有别于一条绳索因外力产生的“缠绕”，做为DNA分子侧链的嘌呤碱和嘧啶碱会依据“Watson-Crick”法则进行配对，形成AT和 GC碱基对，这样的碱基对呈平面构象，可以发生在线型DNA分子内，但更多是在两条DNA分子之间。所有位于线型DNA分子上的碱基之间都能以AT和GC配对的DNA分子彼此称“互补”。而彼此互补的DNA分子常常由DNA复制而产生。这种“制造”互补分子的机制本身就已经非常神秘（因为没有人说得清楚自然发生会产生这种机制的过程）。接下来在互补DNA分子之间因官能团的空间排布所产生的“二级结构”（包括常见的A型、B型和因碱基特殊排列造成的Z型，其他因所处环境的湿度（含水量）离子种类和离子强度不同会衍生出其他类型的构象变体，当前最受人关注的是包括发夹、三链和四链等非B型DNA构象，这些非B型DNA构象可以出现在分子内，也可以出现在分子间。它们通常具有2方面的作用，一是调节基因的表达，一是影响基因组的稳定）。

     处于B型构象状态的两条DNA分子链接下来的“缠绕” 行为会越发类似“绳索”。只要把分子上的任一段两点固定，只要引入“扭力”就会彼此缠绕，由于这种缠绕是在碱基配对这个第一动力的基础上产生的次级螺旋，所以分子生物学家常常称“超螺旋”为“螺旋的螺旋”。这种螺旋力并不局限于所谓的cccDNA （cccDNA 是一种共价闭环DNA分子，如原核细胞中的染色质分子和质粒分子，以及真核生物细胞线粒体和叶绿体内的DNA分子（基于内共生假说，这些线粒体和叶绿体内的DNA分子源自原核单细胞）和有人为了区别于两点固定后线型双链DNA出现的螺旋的螺旋，把后者称为pesudo-supercoiling)。

超螺旋的拓扑学

   超螺旋包含了2个“旋转”层级，一层起因碱基间的Watson-Crick 配对“驱动”，这个层级的“旋转”操作被称为“Twist”, 而第二层级的旋转被称为“Writhe”。因此两条互补的DNA分子链因“旋转”产生的“缠绕”(Link Number)来自于“Twist ”和“Writhe”的加合。需要特别指出的是Twist 和Writhe 均为“矢量”（Vector Quantity)，具有方向性，要么顺时针（Clockwise)，要么逆时针（counter clockwise)。Lk=Tw+Wr

Twist Writhe 和连接子数

拓扑结构表征

超螺旋造成与蛋白质结合

Writhes 造成的缠绕

拓扑异构酶

二、神秘的缠绕-生命创制

    双螺旋状态下的DNA分子链一旦在两个点被固定住，那么它就会引入“螺旋的螺旋”，实际上就是在两条单链的基础上发生在双链上的缠绕。双链缠绕的动力从何而来？依据DNA拓扑学公式Lk=Tw+Wr, Tw(Twists, 两条DNA单链之间的缠绕）可以转化为Wr(Writhes, 双链DNA层面的缠绕）， 当然，这种“转化”的前提条件必须是DNA链在两端固定。既不能被“切断”（如DNA拓扑异构酶负责），也不能被“捆绑” （SMC蛋白家族中的Cohesin 蛋白体负责），这就是最初的生命设计。

   “缠绕的缠绕”用于贮存“能量”，这种能量用于DNA代谢（右手负超螺旋的所储存的能量要小于左手正超螺旋所储存的能量，因此左手正超螺旋缠绕只见于一下嗜热的古细菌）。矢量缠绕数包括了缠绕的方向和缠绕数，缠绕运动在2D平面有顺时针（Clockwise, 顺时针）和逆时针（counterclockwise/anticlockwise, CCW/ACW)（当拇指指向轴心，其余四指的方向，Normal left rotation = clockwise；Normal right rotation = counterclockwise）两种，最常见的基于两条单链DNA的“缠绕”是B型螺旋，呈现“右手”缠绕（逆时针，负螺旋）

缠绕方向的表征，顺时针和逆时针

    基于两条单链DNA通过碱基配对诱发的缠绕需要满足碱基能够妥善堆积的前提（右手缠绕，负超螺旋，Tw为负值）这种缠绕所贮存的能量是守恒的（可以转化为“功”work，通过“机械旋转”容许Tw和Wr之间“转换”）。对于近乎2米长的人基因组双链DNA分子而言，即使分做了23对（条），围绕上面的“生命创制”机制需要形成“拓扑学相关的域（Topologically Associated Domains, TAD)”, 这本质上是对线型DNA双螺旋的“分段管理”的结果。

三、神秘的缠绕-核小体

    “核小体”（nucleosome , nucleo-,核;-some, 小体）是双链B型DNA(右手，负螺旋）与“核心”（被DNA缠绕住，位于中间）“组蛋白”（histone)形成的一种真核生物染色质的基本单位。需要与之区分的是“核小体+H1或H5组蛋白”小体，这样的“小体”被称为“染色体小体（chromatosome)”。

核小体“缓解/分担” Writhe (Wr)

   双链DNA(右手缠绕）和一个各含有两个H2A、 H2B、H3和H4的组蛋白八聚体以左手缠绕1.65(1.75)圈，每个如此形成的核小体约分担一个负超螺旋。因此，失去一个核心组蛋白八聚体，双链DNA需要自身缠绕一次，相当于增加一个Wr。由于这种发生在DNA双链间的缠绕是依左手缠绕，故形成的局部缠绕结无法被轻易“打开”（应该可以被拓扑异构酶II/IV型切开再连接／DNA酶切割，如限制性内切酶？），这样的无核小体区域经染色后形态上看似“断裂”（常见于脆性染色体，Fragile chromosome region, 如脆性X染色体，马丁-贝尔综合征，21三体综合征之外最常见影响智力的一种综合征)。因此，这种状态的DNA无法被顺利复制和转录。

组蛋白密码

   位于核小体中的八个组蛋白均有一个长短不一的“尾巴”，这些“尾巴”位于组蛋白的N端，故称N端结构域。这种“结构域”实际上是一种无序的肽链结构，富含碱性氨基酸残基，在中性环境中带有“正电荷”，可以与缠绕在组蛋白八聚体C端结构域的DNA的磷酸骨架上的负电荷结合，所以DNA缠绕在组蛋白八聚体上的“圈数”可以不是整数圈（整数圈会影响后续的组蛋白密码指令的执行，特别是“松开”的指令），也正因为如此组织给后续的“组蛋白密码”指令预留了可能。所谓“组蛋白密码”，是指通过对组蛋白N端结构域中赖氨酸、精氨酸等碱性氨基酸残基进行“翻译后修饰”，包括甲基化、乙酰基化（引入负电荷，弱化与磷酸骨架的正负电荷作用）等等...八聚体组织的组蛋白N端结构域的修饰指令被称为“组蛋白密码”，属于一类表观遗传“密码”（不同于碱基编码氨基酸的三联体密码），组蛋白密码体现“基因与环境互作”（G×E)。

核小体结构进一步形成30nm螺线管还是被cohesin 及CTCF蛋白锁定为TAD?

   这要视细胞周期和染色体折叠周期，位于有丝分裂和减数分裂中期（位于细胞周期的M时相）的染色体是由位于细胞周期间期（G2时相）的位于TAD状态的染色质通过condensin I 和II进一步压缩而成，虽然目前似乎尚无人注意到这个问题，我个人觉得用condensin 的进一步压缩可能是回答上述疑问的答案。

染色体小体

染色体的压缩

缠绕的缠绕

四、神秘的缠绕-缠绕力决定DNA死活

    都知道DNA分子是“遗传信息载体”，但很多人不知道，作为遗传信息载体的DNA分子必须是那些拥有“缠绕”能力的双螺旋DNA分子（螺旋之上可以缠绕，螺旋的螺旋）。大家公认的一点是两条单链DNA形成双链缠绕的能量属于化学能，而在此基础上的进一步缠绕所储存的能量是“生命的活力”。因此，不具Wr的DNA分子不能在细胞内被容易地打开，因此影响其复制和转录。

问题是如何看“解旋酶”的作用？

   DNA解旋酶（DNA helicase)是生命代谢运动中十分关键的工具酶，大部分负责打开DNA双螺旋，即把处于双链状态的DNA链打开呈单链，之后被复制、修复或转录。这种活动一般可以见于体外利用rcDNA 进行的复制或转录，但体内通常需要缠绕引入超螺旋（supercoiling)对DNA分子加以组织（3-D基因组），所以细胞内的DNA分子必须拥有“缠绕力”（超螺旋）才能被保留在传代过程中。

    简单如DNA病毒的分子生物的DNA，如细菌的噬菌体，人类的乙型肝炎病毒等等均通过rcDNA(relaxed circular DNA, Wr=0)转化成具有超螺旋的cccDNA (共价闭合环状，covalent closed circular DNA, cccDNA, Wr不等于0 )。cccDNA形式容许病毒与宿主细胞终身共存。

乙肝病毒通过形成cccDNA

通过核小体中组蛋白化学修饰和重塑

五、神秘的缠绕-拓扑结构域

   线型DNA与组蛋白八聚体形成核小体“串珠”样染色质后需要在这种染色质层级“利用拓扑学的缠绕”进行进一步组织。为此，需要以 DNA分子上“CCCTC ”基序及其结合蛋白“CTCF”进行分区固定，之后在Cohesin 这种染色质维护（SMC)蛋白体的帮助下形成一个个“环形”结构域（topologically associated domain, TAD)。

    TAD应该是一组编码蛋白质或RNA的“基因”的结构实体和功能单位。其中，那些需要转录的区段接受“组蛋白密码”所形成的“指令”指导（表观遗传调控）使得染色质分为“活性区”（基本对应常染色质区，Euchromatin, eu 意识是“好的”）和“失活区”（基本类似异染色质区，heterochromatin, hetero, 意思是“异常/坏的”）。这样的TAD染色质域组织的边界由“绝缘子”（Insulator）分隔，彼此之间不受各自表观遗传指令的影响。

   它们可能是高分辨染色体呈带染色（chromosome high resolution banding)时所呈现的常染色质和异染色质区段分布的基础。

TAD的形成

类似结构的SMC蛋白体

有丝分裂中期高度压缩的性染色体

一位妇人的染色体组成的核型

六、神秘的缠绕-DNA复制与染色质修饰

   DNA复制发生在细胞周期S时相, 基本过程参见《基因疾病的分子生物学》和《基因的自身维护与疾病的发生》。

   显然，任何组织的形成均需要细胞进行有丝分裂，以增加细胞数目。细胞分裂之前需要首先倍增细胞核内的基因组，这个过程需要DNA复制。同时，经复制倍增的基因组需要“保留”原有染色质的表观修饰状态，维系特定的“表观基因组(epigenome)”，以维持既有的特定分化类型的细胞状态。

因此，细胞分裂前后既需要“基因组DNA复制”,又需要“维系”特定的表观遗传修饰状态，完成“表观基因组的传承。

   通常情况下，DNA复制异常，会造成“DNA序列或碱基的改变，如Indel 突变、碱基突变等等，表现为“基因组”的不稳定；而如果表观遗传修饰异常，则会改变细胞的分化状态，出现去分化或异常分化类型的细胞，这些改变均与“癌变”和“遗传疾病”有关。

DNA 复制和修饰

     DNA复制过程中涉及核小体的重新组装，主要过程为新合成的组蛋白H3-H4经乙酰化修饰呈现“活性”状态，并经由抗沉默因子蛋白ASF-1 蛋白递送给染色质组装因子1（CAF-1)，之后与原先与DNA模板结合的组蛋白H2A-H2B组装成“杂合”核小体。之后，主要是去乙酰化、甲基化修饰（包括组蛋白甲基化和DNA甲基化修饰），使得染色质呈“致密”状态。

活性染色质和非活性染色质的保留，分化

表观基因组的维护