分子植物科學卓越創(chuàng)新中心李軒研究組首次構建具有真核核小體的大腸桿菌?
文章來源：分子植物科學卓越創(chuàng)新中心 | 發(fā)布時間：2024-09-30 | 【打印】 【關閉】
2024年9月27日，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心李軒研究組在國際學術期刊Nature Communications在線發(fā)表了題為“Creating a bacterium that forms eukaryotic nucleosome core particles”的研究論文。這項研究首次成功構建了一個具有真核核小體的原核生命體-具有核小體的大腸桿菌；該研究同時揭示真核核小體與細菌遺傳機器之間存在的兼容性為真核生物發(fā)生（eukaryogenesis）的細菌-古菌融合事件創(chuàng)造了條件。
核小體是真核生物的標志性結構。核小體的核心結構，是由四種組蛋白H2A、H2B、H3和H4組成的八聚體，被大約147個堿基的雙螺旋DNA緊密纏繞而成。核小體是支持真核細胞基本功能（包括轉錄調控、DNA復制和修復、有絲分裂、表觀遺傳調控）的關鍵平臺，支撐著真核生物的細胞周期、組織分化、個體發(fā)育、代謝調控、環(huán)境響應等重要功能。核小體復合物的形成和解離處于動態(tài)過程中，涉及多個中間狀態(tài)和不同蛋白亞基的相互作用。
真核組蛋白被認為是起源于古細菌的DNA結合蛋白（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架，但核小體的高級結構，即八聚體-DNA復合物只發(fā)現(xiàn)存在于真核生物中。對于真核核小體高級結構的起源和進化，及真核生物發(fā)生過程的細菌-古菌共生融合事件中，古菌組蛋白演化成真核核小體結構的過程，一直是科學界關注并亟待回答的重要問題。為了探索這些問題，李軒研究員團隊采用合成生物學策略和模式細菌大腸桿菌，成功構建了具有真核核小體結構的原核生命體-具有核小體的大腸桿菌。
研究人員首先對大腸桿菌E. coli進行工程化改造，通過梯度表達爪蟾的4種組蛋白第一次在大腸桿菌活細胞內成功組裝真核核小體。組裝的核小體結構具有真核核小體的特征，并通過染色體DNA的MNase切割保護實驗、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實驗結果得到驗證。研究人員設計實驗進一步檢測組蛋白表達量和細菌染色體上核小體組裝水平的關系。通過不同濃度IPTG的誘導表達實驗，發(fā)現(xiàn)大腸桿菌內核小體形成的數(shù)量與組蛋白表達量成正比關系。同時，對在大腸桿菌基因組上核小體的位置進行了MNase-seq測序實驗分析。通過將MNase-seq測序數(shù)據(jù)映射到大腸桿菌基因組上，分析結果發(fā)現(xiàn)大腸桿菌基因組上核小體位點，在不同組蛋白表達水平間保持高度一致性，計算獲得的核小體峰數(shù)量也基本保持不變，在~22,000個。
此研究的一個關鍵問題是：具有真核核小體的大腸桿菌能否長期存活和傳代。預實驗研究發(fā)現(xiàn)在1 μM IPTG條件下，在大腸桿菌中可以誘導中等組蛋白表達水平并形成穩(wěn)定核小體結構。研究人員進一步開展了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。進一步將MNase-seq測序數(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。一個有意思的發(fā)現(xiàn)：在大腸桿菌基因轉錄區(qū)的核小體，形成與真核細胞基因轉錄區(qū)核小體相似的結構分布，即緊臨轉錄起始位點（TSS）形成一個核小體空白區(qū)（NFR），在NFR上下游區(qū)域形成兩個核小體結合的矩陣區(qū)域，核小體的定位相位隨著遠離NFR而逐漸減弱。研究人員對具有核小體的大腸桿菌進行了傳代過程中的轉錄組和全基因組測序分析，發(fā)現(xiàn)基因表達基本保持穩(wěn)定，有~70個差異表達基因（包括應激反應相關蛋白），但未檢測出基因組的遺傳變異。對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能力有所下降。
綜上，此研究成功在模式細菌大腸桿菌中實現(xiàn)了真核核小體的體內組裝，并證明細菌染色體DNA和真核組蛋白組裝的核小體，具有與真核細胞的核小體非常相似的特性。通過誘導中等水平的組蛋白表達，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)實驗中保持生長和傳代。構建具有核小體的大腸桿菌為研究真核核小體起源和進化提供了一個新的平臺和獨特機會，而真核核小體與細菌遺傳機器之間兼容性的發(fā)現(xiàn)，對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。
中國科學院分子植物科學卓越創(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。分子植物科學卓越創(chuàng)新中心楊晟研究員、趙國屏研究員、中國科學院感染與免疫研究所郝沛研究員，華東理工大學葉邦策教授為此研究提供指導和幫助。該研究工作獲得了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、國家科技重大專項和中國科學院先導科技專項的支持。
論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41467-024-52484-2
圖1：具有真核核小體大腸桿菌的特征和完整細胞生活周期
圖2：具有真核核小體結構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錄區(qū)形成與真核細胞基因轉錄區(qū)核小體相似的結構分布
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圖3：具有核小體大腸桿菌的細胞形態(tài)和生長競爭實驗
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