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Science:重大突破!从结构上揭示出古生菌DNA折叠过程

来源:本站原创 2017-08-13 11:31


图片来自Francesca Mattiroli。

2017年8月13日/生物谷BIOON/---在棕榈树、人类和一些单细胞微生物的细胞中,DNA以同样的方式发生弯曲。如今,在被称作古生菌(Archaea)的微生物中,通过研究结合到DNA上的组蛋白的三维结构,来自美国科罗拉多大学博尔德分校、科罗拉多州立大学和俄亥俄州立大学的研究人员发现了更加复杂的有机体存在着与古生菌非常类似的DNA折叠。相关研究结果发表在2017年8月11日的Science期刊上,论文标题为“Structure of histone-based chromatin in Archaea”。

这些研究人员认为这种古生菌DNA折叠提示着基因组折叠的进化起源。基因组折叠涉及一种让DNA弯曲的过程,这个过程在所有真核生物中是显著保守的。

正如真核生物和细菌那样,古生菌代表着生物界的三大类型之一。但是古生菌被认为包括与首先偶然发生DNA折叠的古老祖先存在亲缘关系最为亲近的物种。

科学家们长期以来就已知道在鱼类、树和人类等所有真核生物中的细胞都以精确相同的方式折叠DNA。DNA链缠绕在由8种组蛋白组成的“冰球(hockey puck)”的周围,形成核小体。核小体在一条DNA链上像珠子那样被串联在一起,形成念珠状结构(beads on a string)。这种念珠状结构的广泛保守性,让人们对它的起源提出问题。

论文共同作者、俄亥俄州立大学微生物学家John Reeve说,如果所有的真核生物具有相同的DNA弯曲方式,“那么它必须是从一个相同的祖先进化下来的。但是这个祖先是什么,这个问题没有人提出过。”

Reeve早前的研究在古生菌细胞中发现了组蛋白。但是古生菌是原核生物,因此并不清楚这些组蛋白发挥着什么功能。通过研究一种含有结合着古生菌组蛋白的DNA的晶体的详细结构,这项新的研究揭示出古生菌DNA包装如何精确地发生。

Luger和她的同事们想要制造出甲烷嗜热菌(Methanothermus fervidus)的组蛋白-DNA复合体的晶体,这样他们才能够利用X射线照射这种晶体。这种被称作X射线晶体分析的技术会产生关于每个氨基酸和核苷酸在这种晶体中的位置的准确信息。但是培养这种晶体是比较困难的(组蛋白能够结合到任何一段给定的DNA上,这就使得难以构建出一致性的组蛋白-DNA结构),而且理解他们获得的数据也并非易事。

但是Luger和她的同事们坚持不懈。这些研究人员揭示出尽管使用单种组蛋白(而不是真核生物中的四种组蛋白),这种古生菌以一种非常相似的方式折叠DNA,从而产生在真核生物核小体中发现的相同类型的折叠。

但是也存在差异:这种古生菌DNA并不是在一条DNA链上形成念珠状结构,而是形成长长的超螺旋结构,即已经弯曲的DNA链再经折叠形成的较大的弯曲结构。

Luger说,“在古生菌中,仅有一种组蛋白。没有什么可以阻止它。这几乎就像是它是一种连续的核小体。”

经证实,这种超螺旋结构形成是比较重要的。当科罗拉多大学博尔德分校博士后研究员Francesca Mattiroli与科罗拉多州立大学的Thomas Santangelo实验室一起引入干扰这种结构的突变时,这种古生菌细胞在应激条件下存在生长困难。更重要的是,这些细胞似乎不能正确地使用它们的一组基因。

Mattiroli说,“清楚的是,在这些突变存在下,它们不能够形成这种超螺旋结构。”

这些结果提示着这种古生菌DNA折叠是真核生物核小体的早期原型。

然而,仍然有很多问题存在着。Luger说,她想要寻找缺少的环节:一种类似核小体的结构,它将填补简单的古生菌DNA折叠和精细的真核生物核小体之间的空白。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Francesca Mattiroli, Sudipta Bhattacharyya, Pamela N. Dyer et al. Structure of histone-based chromatin in Archaea. Science, 11 Aug 2017, 357(6351):609-612, doi:10.1126/science.aaj1849

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