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Sci.Rep:中科院物理所劉玉如研究員發(fā)文解釋原核生物染色體DNA自組裝模式和機(jī)理
近日，自然出版集團(tuán)旗下綜合類(lèi)刊物《Scientific Reports》在線發(fā)表中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員劉玉如、研究員謝平、研究員王鵬業(yè)和SM4組研究員李明等聯(lián)合對(duì)大腸桿菌染色體DNA組裝的研究文章,論文題為“A model for chromosome organization during the cell cycle in live E. coli”。劉玉如研究員和王鵬業(yè)研究員為論文通訊作者。
生命機(jī)體內(nèi)部有機(jī)生物大分子種類(lèi)構(gòu)造極其繁復(fù)，其運(yùn)轉(zhuǎn)卻呈現(xiàn)出高度有序、協(xié)調(diào)和精妙的自我調(diào)控。在紛繁復(fù)雜的生物反應(yīng)中，染色體DNA自組裝、復(fù)制和應(yīng)時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄處于細(xì)胞生命活動(dòng)的中心位置。雖然人類(lèi)基因組計(jì)劃已經(jīng)完成，但是數(shù)以?xún)|計(jì)的DNA遺傳信息凝聚在十幾微米大小的細(xì)胞核內(nèi)，目前，我們還沒(méi)有能力清晰理解這些信息是如何被細(xì)胞利用、提取、整合并最終發(fā)布成效應(yīng)蛋白質(zhì)來(lái)應(yīng)對(duì)正常生命活動(dòng)和細(xì)胞內(nèi)外信號(hào)刺激。這些基本調(diào)控運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制正是攻克人類(lèi)疾病和藥物醫(yī)療研發(fā)的必需前提。為了從根本上理解生命運(yùn)作本質(zhì)，避繁就簡(jiǎn)，基礎(chǔ)研究生物學(xué)家們幾十年以來(lái)一直以原核生物——最具代表性的大腸桿菌等為研究模型，建立了一整套成熟高效的基因蛋白操縱手段，然后力求把原核細(xì)胞中的發(fā)現(xiàn)借鑒到真核生物及最終目標(biāo)人類(lèi)細(xì)胞之中，取得了卓有成效的進(jìn)展。令人驚訝的是：迄今為止，原核生物細(xì)菌染色體DNA組裝方式仍是未解之謎。人們?cè)缭趲资暌郧耙呀?jīng)用電鏡觀察到真核生物的染色質(zhì)DNA和組蛋白構(gòu)成的“串珠”模式核小體，病毒的基因組DNA是緊密排布于衣殼內(nèi)。相比之下，生物界另一大類(lèi)原核生物，人們對(duì)其DNA組裝方式至今仍未能窺其一瞥，歸因于實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段的限制，使得生物學(xué)家們?nèi)绱耸煜さ慕?jīng)典研究模型細(xì)菌，又是如此神秘和陌生。
先前王鵬業(yè)和劉玉如在研究鉑類(lèi)抗癌藥物與DNA單分子作用機(jī)理時(shí)，意外地觀察到了環(huán)形質(zhì)粒DNA在鉑類(lèi)藥物協(xié)同作用下自發(fā)盤(pán)繞成“雙重螺線圈”的奇異現(xiàn)象。超螺旋環(huán)形DNA分子在局部彎折的誘導(dǎo)下，一律在溶液中自發(fā)形成自我對(duì)稱(chēng)的8字形“雙重螺線圈”構(gòu)象，并通過(guò)原子力顯微鏡成功地觀察到其動(dòng)態(tài)演變過(guò)程。借助于近年來(lái)該研究組深入進(jìn)行DNA大分子對(duì)力和鉑類(lèi)藥物作用響應(yīng)生物物理特性研究的積累，他們對(duì)這一奇異現(xiàn)象發(fā)生的原理進(jìn)行了解釋和推演。由于DNA大分子和鉑類(lèi)藥物反應(yīng)過(guò)程的復(fù)雜性，通過(guò)理論計(jì)算DNA局部形變和DNA分子內(nèi)部能量進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬在目前還做不到。但是，他們從最基本的物理規(guī)律入手，創(chuàng)新性地提出了支配DNA大分子自發(fā)盤(pán)繞的動(dòng)態(tài)平衡和能量最低原理。
受到上述的體外環(huán)型質(zhì)粒DNA在順鉑和反鉑作用下構(gòu)型變化的啟發(fā)，考慮到原核生物的染色體DNA也是超螺旋環(huán)形DNA，劉玉如等進(jìn)一步提出了大腸桿菌染色體DNA在活體內(nèi)一個(gè)復(fù)制周期中各個(gè)階段的盤(pán)繞狀態(tài)以及支配其自組裝的理論模型。利用軟物質(zhì)物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室蛋白質(zhì)表達(dá)公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，他們成功構(gòu)建了基因原位可激發(fā)熒光蛋白標(biāo)記的HNS-mEos2大腸桿菌株，通過(guò)PALM超高分辨率熒光顯微成像技術(shù)，對(duì)不斷分裂大腸桿菌HNS-mEos2熒光蛋白簇的演化進(jìn)行了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)。HNS是一種類(lèi)核相關(guān)蛋白，其伴隨著DNA的凝聚，可用其來(lái)示蹤DNA盤(pán)繞狀態(tài)。他們實(shí)驗(yàn)中明確觀察到了HNS在新生大腸桿菌中形成兩個(gè)對(duì)稱(chēng)熒光團(tuán)簇，隨著DNA的復(fù)制，團(tuán)簇先是變模糊，然后再在預(yù)分裂細(xì)胞中形成明確的四個(gè)團(tuán)簇。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與DNA“雙重螺線圈”理論模型完全吻合，每一個(gè)HNS熒光團(tuán)簇指示出了一個(gè)DNA“螺線圈”。這一模型也支持了細(xì)菌染色體凝聚在類(lèi)核中是內(nèi)在力學(xué)性質(zhì)扮演支配角色這一觀點(diǎn)。同時(shí)，該模型可以很好地解釋此研究領(lǐng)域中絕大部分以往觀測(cè)到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且統(tǒng)一了明顯矛盾的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。該研究在國(guó)際上首次提出原核生物大腸桿菌染色體DNA具體三維的組裝盤(pán)繞模式，以新的理論和視角分析了染色體DNA在細(xì)胞內(nèi)狹小空間內(nèi)高度有序自組裝的潛在機(jī)理，深入了人們對(duì)生物體最基本的染色體DNA自組裝現(xiàn)象的理解。鑒于目前科學(xué)技術(shù)手段的局限，對(duì)原核生物染色體DNA分布的直接觀測(cè)還不可能，因而對(duì)于此理論模型的直接觀測(cè)證據(jù)還有待于未來(lái)研究提供。
原文摘要：
Bacterial chromosomal DNA is a highly compact nucleoid. The organization of this nucleoid is poorly understood due to limitations in the methods used to monitor the complexities of DNA organization in live bacteria. Here, we report that circular plasmid DNA is auto-packaged into a uniform dual-toroidal-spool conformation in response to mechanical stress stemming from sharp bending and un-winding by atomic force microscopic analysis. The mechanism underlying this phenomenon was deduced with basic physical principles to explain the auto-packaging behaviour of circular DNA. based on our observations and previous studies, we propose a dynamic model of how chromosomal DNA in E. coli may be organized during a cell division cycle. Next, we test the model by monitoring the development of HNS clusters in live E. coli during a cell cycle. The results were in close agreement with the model. Furthermore, the model accommodates a majority of the thus-far-discovered remarkable features of nucleoids in vivo. |
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