分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心李軒研究組首次構(gòu)建具有真核核小體的大腸桿菌?

文章來源:分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心  |  發(fā)布時(shí)間:2024-09-30  |  【打印】 【關(guān)閉

  

2024年9月27日,中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心李軒研究組在國際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications在線發(fā)表了題為“Creating a bacterium that forms eukaryotic nucleosome core particles”的研究論文。這項(xiàng)研究首次成功構(gòu)建了一個(gè)具有真核核小體的原核生命體-具有核小體的大腸桿菌;該研究同時(shí)揭示真核核小體與細(xì)菌遺傳機(jī)器之間存在的兼容性為真核生物發(fā)生(eukaryogenesis)的細(xì)菌-古菌融合事件創(chuàng)造了條件。

核小體是真核生物的標(biāo)志性結(jié)構(gòu)。核小體的核心結(jié)構(gòu),是由四種組蛋白H2A、H2B、H3和H4組成的八聚體,被大約147個(gè)堿基的雙螺旋DNA緊密纏繞而成。核小體是支持真核細(xì)胞基本功能(包括轉(zhuǎn)錄調(diào)控、DNA復(fù)制和修復(fù)、有絲分裂、表觀遺傳調(diào)控)的關(guān)鍵平臺(tái),支撐著真核生物的細(xì)胞周期、組織分化、個(gè)體發(fā)育、代謝調(diào)控、環(huán)境響應(yīng)等重要功能。核小體復(fù)合物的形成和解離處于動(dòng)態(tài)過程中,涉及多個(gè)中間狀態(tài)和不同蛋白亞基的相互作用。

真核組蛋白被認(rèn)為是起源于古細(xì)菌的DNA結(jié)合蛋白(又稱古菌組蛋白),例如嗜熱產(chǎn)甲烷古菌的HMfA和HMfB。盡管古菌組蛋白具有與真核組蛋白類似的蛋白折疊構(gòu)架,但核小體的高級(jí)結(jié)構(gòu),即八聚體-DNA復(fù)合物只發(fā)現(xiàn)存在于真核生物中。對(duì)于真核核小體高級(jí)結(jié)構(gòu)的起源和進(jìn)化,及真核生物發(fā)生過程的細(xì)菌-古菌共生融合事件中,古菌組蛋白演化成真核核小體結(jié)構(gòu)的過程,一直是科學(xué)界關(guān)注并亟待回答的重要問題。為了探索這些問題,李軒研究員團(tuán)隊(duì)采用合成生物學(xué)策略和模式細(xì)菌大腸桿菌,成功構(gòu)建了具有真核核小體結(jié)構(gòu)的原核生命體-具有核小體的大腸桿菌。

研究人員首先對(duì)大腸桿菌E. coli進(jìn)行工程化改造,通過梯度表達(dá)爪蟾的4種組蛋白第一次在大腸桿菌活細(xì)胞內(nèi)成功組裝真核核小體。組裝的核小體結(jié)構(gòu)具有真核核小體的特征,并通過染色體DNA的MNase切割保護(hù)實(shí)驗(yàn)、核小體多聚體分離、原子力顯微鏡成像分析、三分體互作熒光蛋白等多個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到驗(yàn)證。研究人員設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步檢測(cè)組蛋白表達(dá)量和細(xì)菌染色體上核小體組裝水平的關(guān)系。通過不同濃度IPTG的誘導(dǎo)表達(dá)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)大腸桿菌內(nèi)核小體形成的數(shù)量與組蛋白表達(dá)量成正比關(guān)系。同時(shí),對(duì)在大腸桿菌基因組上核小體的位置進(jìn)行了MNase-seq測(cè)序?qū)嶒?yàn)分析。通過將MNase-seq測(cè)序數(shù)據(jù)映射到大腸桿菌基因組上,分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)大腸桿菌基因組上核小體位點(diǎn),在不同組蛋白表達(dá)水平間保持高度一致性,計(jì)算獲得的核小體峰數(shù)量也基本保持不變,在~22,000個(gè)。

此研究的一個(gè)關(guān)鍵問題是:具有真核核小體的大腸桿菌能否長期存活和傳代。預(yù)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在1 μM IPTG條件下,在大腸桿菌中可以誘導(dǎo)中等組蛋白表達(dá)水平并形成穩(wěn)定核小體結(jié)構(gòu)。研究人員進(jìn)一步開展了1 μM IPTG 條件下大腸桿菌培養(yǎng)傳代和生理生化研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),具有核小體的大腸桿菌在1 μM IPTG條件下可以穩(wěn)定生長和傳代至少110代。對(duì)不同培養(yǎng)世代的大腸桿菌研究分析發(fā)現(xiàn)大腸桿菌的組蛋白合成水平和核小體組裝數(shù)量保持穩(wěn)定。進(jìn)一步將MNase-seq測(cè)序數(shù)據(jù)映射到大腸桿菌基因組上,發(fā)現(xiàn)大腸桿菌基因組核小體位置在傳代過程中同樣保持高度穩(wěn)定。一個(gè)有意思的發(fā)現(xiàn):在大腸桿菌基因轉(zhuǎn)錄區(qū)的核小體,形成與真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄區(qū)核小體相似的結(jié)構(gòu)分布,即緊臨轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)(TSS)形成一個(gè)核小體空白區(qū)(NFR),在NFR上下游區(qū)域形成兩個(gè)核小體結(jié)合的矩陣區(qū)域,核小體的定位相位隨著遠(yuǎn)離NFR而逐漸減弱。研究人員對(duì)具有核小體的大腸桿菌進(jìn)行了傳代過程中的轉(zhuǎn)錄組和全基因組測(cè)序分析,發(fā)現(xiàn)基因表達(dá)基本保持穩(wěn)定,有~70個(gè)差異表達(dá)基因(包括應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)蛋白),但未檢測(cè)出基因組的遺傳變異。對(duì)其表型和生理研究發(fā)現(xiàn),盡管具有核小體的大腸桿菌在細(xì)胞形態(tài)和生長速率上沒有明顯變化,其競爭生長和逆境適應(yīng)能力有所下降。

綜上,此研究成功在模式細(xì)菌大腸桿菌中實(shí)現(xiàn)了真核核小體的體內(nèi)組裝,并證明細(xì)菌染色體DNA和真核組蛋白組裝的核小體,具有與真核細(xì)胞的核小體非常相似的特性。通過誘導(dǎo)中等水平的組蛋白表達(dá),研究人員創(chuàng)造出了一株具有穩(wěn)定核小體組裝的大腸桿菌,該菌能在長期培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中保持生長和傳代。構(gòu)建具有核小體的大腸桿菌為研究真核核小體起源和進(jìn)化提供了一個(gè)新的平臺(tái)和獨(dú)特機(jī)會(huì),而真核核小體與細(xì)菌遺傳機(jī)器之間兼容性的發(fā)現(xiàn),對(duì)于理解核小體的起源和真核生物發(fā)生過程具有重要意義。

中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心荊新云副研究員、張牛冰博士、周小娟博士、陳萍博士、和博士研究生龔潔為論文共同第一作者,李軒研究員為通訊作者。分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心楊晟研究員、趙國屏研究員、中國科學(xué)院感染與免疫研究所郝沛研究員,華東理工大學(xué)葉邦策教授為此研究提供指導(dǎo)和幫助。該研究工作獲得了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家科技重大專項(xiàng)和中國科學(xué)院先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持。

論文鏈接: https://www.nature.com/articles/s41467-024-52484-2

1:具有真核核小體大腸桿菌的特征和完整細(xì)胞生活周期

2:具有真核核小體結(jié)構(gòu)大腸桿菌的長期存活和傳代(1 μM IPTG):在傳代過程中核小體的形成保持穩(wěn)定,并在大腸桿菌基因轉(zhuǎn)錄區(qū)形成與真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄區(qū)核小體相似的結(jié)構(gòu)分布

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3:具有核小體大腸桿菌的細(xì)胞形態(tài)和生長競爭實(shí)驗(yàn)

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