「小身体，大智慧」Cell 重磅揭示大肠杆菌染色体折叠模式及影响因素

丁香学术2021-09-09

325

导读

染色体是细胞生命活动的物质结构基础，与多种细胞过程息息相关，如基因表达、DNA 修复和染色体分离，其正确折叠至关重要。所有细胞都须将自身的基因组通过折叠压缩在一个小体积空间当中。

与真核细胞不同，细菌细胞没有核膜，并且不会将其染色体 DNA 包装成类似于核小体的重复结构单元。然而，它们仍然折叠并集中它们的染色体物质，形成一个动态的、有组织的 DNA 网络，称为类核（nucleoid）。

近日，美国耶鲁大学 Christine Jacobs-Wagner 研究小组在 Cell 杂志上发表了题为 Interconnecting solvent quality, transcription, and chromosome folding in Escherichia coli 的论文，揭示了大肠杆菌中的染色体折叠规律。

图片来源：Cell

在本研究中，作者采用细胞的简单聚合物物理学视角，将细胞质视为聚合物溶液，其中聚合物是 DNA，溶剂是细胞质中的其他所有物质（例如，水、代谢物、蛋白质、核糖体和 RNA）。

根据聚合物-溶剂相互作用，溶剂的质量大致分为三种类型：理想、良好和差。

在良好效应的溶剂中，聚合物和溶剂之间的相互作用优于聚合物链段之间的相互作用。相反，在不良溶剂中，聚合物链段之间的相互作用比它们与溶剂的相互作用更有利。理想状态则是排斥和吸引相互作用被相互抵消。

图 1 类核区域内 DNA 浓度（图片来源：Cell）

研究内容

大肠杆菌细胞中的表观平均类核大小

在营养贫乏和营养丰富的条件下，细胞 DNA 含量和类核大小基本保持不变。

为了探测类核网格大小，研究人员使用大肠杆菌菌株（CJW6340，表达带有 GFP 标记的人工设计的蛋白质，该蛋白质自组装成 25 nm 的 60 个亚基十二面体纳米笼）进行单粒子跟踪实验。

单粒子跟踪实验显示类核不存在空间位阻，整体平均均方位移与布朗运动一致，推测平均类核网格尺寸 > 25 nm。

使用更大的探针 GFP-μNS 颗粒（平均大小为 58 nm）的探针，发现其定位在细胞极区（即远离类核）的可能性增加，估计表观平均类核网格大小约为 50 nm。

图 2 表观平均类核网格尺寸的估计（图片来源：Cell）

细胞质是染色体的不良溶剂并促进染色体结构域的形成

通过染色体构象的 3D 蒙特卡罗模拟将大肠杆菌染色体建模为自由连接的链，调整相邻 DNA 片段之间角度范围的约束，以模拟溶剂质量。

模拟揭示了不同溶剂条件下染色体构象的巨大差异：

相对于理想和良好的溶剂条件，在不良溶剂条件下，DNA 密度似乎在空间上更加不均匀，与用超分辨率荧光图像观察的细菌类核 DNA 密度的空间异质性一致。相比于良好的溶剂，细胞质的不良溶剂效应可以导致多至 60 倍的染色体压缩比。

在不良溶剂中，DNA 片段往往彼此更接近，导致形成 DNA 密度高的区域与 DNA 密度低的区域交错。这种 DNA 密度的空间异质性产生了空洞现象，以增加表面的平均网格尺寸，并允许更大的物体通过。

而在理想和良好的溶剂条件下，类核 DNA 密度在空间上更加均匀，平均网格尺寸较小。

细胞质中有效的不良溶剂可以促进染色体结构域（domain）的形成，这种结构类似于 Hi-C 实验中所见到的染色质互相作用域（CIDs）。只有在较差溶剂条件下才能看到大的域状结构。

图 3 大肠杆菌染色体构象在不同类型溶剂中的模拟（图片来源：Cell）

类核体内核糖体密度的空间异质性与 DNA 密度呈负相关

核糖体主要以多聚核糖体形式存在，富集在类核区域之外。断层重建和核糖体定位显示，核糖体密度高度不均匀。除了预期的核糖体在细胞周围富集外，核糖体在细胞质中表现出密度的异质性，包括在细胞的中心区域 (即类核区)。

在类核体内，核糖体荧光信号与 DNA 信号呈负相关，这说明细胞质的不良溶剂效应是导致 DNA 密度不均匀的原因，而 DNA 密度不均匀又反过来影响了核糖体的定位。

图 4 大肠杆菌层析图中核糖体的空间分布（图片来源：Cell）

图 5 核糖体密度与类核区域内的 DNA 呈负相关（图片来源：Cell）

图 6 不同溶剂中染色体大小的模拟结果（图片来源：Cell）

转录是导致细胞质不良溶剂效应的原因

如果多聚核糖体拥挤是核样紧密化的主要促进因素，那么这个假说预言，即使转录不受影响，多聚核糖体丰度的减少也会导致类核样扩张。

为了检验这种可能性，作者用春雷霉素（Ksg，一种典型的 RNA 翻译启动抑制剂）处理大肠杆菌细胞，以将多聚核糖体转化为游离的核糖体亚单位和无核糖体的 mRNAs，减少多聚核糖体的丰度。

作者发现细胞与 Ksg 孵育 40 分钟后类核体并没有扩大，大多数类核体看起来更加紧凑，细胞中可辨别类核体的比例显著减少。

Ksg 处理导致类核向彼此移动与合并。这种聚合能界面相互作用变小，促进类核体和 RNA 之间的分离。

而在利福平（Rif，一种广谱抗生素药物）处理后，RNA 合成停止，转录抑制，核质比率 (核质面积除以细胞面积) 增加，核质发生膨胀。这些结果表明 RNA 水平越高，RNA 和 DNA 之间的分离越大，核样结构越紧密。

总之，DNA 和 RNA 之间的排斥作用，导致了染色体细胞质的不良溶剂效应。

图 7 RNA/DNA 分离和类核紧密度（图片来源：Cell）

导致细胞质不良溶剂效应的因素

类核蛋白（NAPs）和其他 DNA 结合蛋白（如转录调节蛋白）是与染色体相互作用的因素之一。蛋白与阴离子 DNA 聚合物的结合能局部改变染色体的静电势，通过弯转扭曲 DNA 减少 DNA 螺旋长度，进一步改变类核体的压缩程度和网格尺寸。

高离子强度的细胞质也可能导致较差的溶剂效应。体外研究表明，随着盐浓度的增加，DNA 片段之间的净相互排斥减少。二价镁离子不仅可以屏蔽 DNA 上的电荷，还可以诱导 DNA 片段之间的相互吸引。

分子动力学模拟表明，大分子拥挤可以被视为有效地降低溶剂效应。因此，多聚核糖体丰度的变化、高 RNA 水平与 RNA/DNA 分离度和类核紧密程度增大相关。

在 CID 域的边界，高转录活性导致新生 RNA 积累。这些 RNA 仍然通过 RNA 聚合酶与 DNA 结合，不能扩散。作者推测，为了尽量减少与这些结合 RNA 的接触，DNA 链通过收缩降低其边界处的局部密度，在边界两侧形成密集的 DNA 区域。

研究亮点：

大肠杆菌作为典型的模式生物，是研究得最为详尽的原核细菌。它们的染色体被压缩成类核，但对于染色体压缩和结构域的形成还没有完全理解。

本研究中提出了一种预测大肠杆菌中类核平均网格大小的方法。当细胞被视为简单的半稀释聚合物溶液时，细胞质表现为染色体的不良溶剂。

不良溶剂效应会导致染色体压实和 DNA 密度异质性，异质 DNA 密度与类核内的核糖体密度呈负相关，并发现 RNA 也会导致不良的溶剂效应。该研究将染色体压实和结构域形成与转录和细胞内组织联系起来，对染色体形成的机制有了更深入的了解。

图片来源：Cell

参考文献：

Xiang Y, Surovtsev IV, Chang Y, et al. Interconnecting solvent quality, transcription, and chromosome folding in Escherichia coli. Cell. 2021 Jun 21:S0092-8674(21)00689-9. doi: 10.1016/j.cell.2021.05.037.

题图来源：站酷海洛Plus