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Science子刊:细菌基因组是由一种古老的分子调控的

   

Polyphosphate during liquid-liquid phase separation formation.

    

图:液相-液相分离形成的多磷酸盐。


我们都是细胞的集合,每个细胞都包含着指令——我们的DNA——变成其他任何细胞。心脏细胞、皮肤细胞和大脑细胞的区别在于基因的表达或沉默。

这个过程曾经被认为只发生在动物、植物和其他有细胞核的生物体内,也就是真核生物。密歇根大学研究人员发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的一项新研究进一步支持了细菌也利用基因沉默来保护自己免受有害突变的影响这一新兴观点。

乌苏拉·雅各布博士是密歇根大学医学院的分子、细胞和发育生物学和生物化学教授,也是这项新研究的资深作者,他说:“在很长一段时间里,细菌染色体被认为是完全表达的,而对染色体的可获得性没有任何控制。”“这种观点已经发生了巨大变化。”

在真核生物中,一种叫做组蛋白的蛋白质帮助控制哪些基因被激活。直到最近,人们还认为细菌中不存在这些蛋白质。然而,包括Jakob的U-M合作者Peter Freddolino博士、生物化学、计算医学和生物信息学副教授在内的研究人员已经揭示,细菌实际上确实调节基因表达。

“被沉默的元素类型和真核生物中被异染色质沉默的元素类型是一样的:移动的,有问题的遗传元素,”Freddolino说。异染色质是一个紧密包裹的DNA束,支持染色体和调节基因表达。

就像动物细胞在压力下会经历基因表达的改变一样,细菌含有的基因序列可能会产生问题。例如,细菌可以被病毒感染,病毒会整合到它们的基因组中,成为被称为原噬菌体的遗传元素。在一定条件下,这些原噬菌体可以导致细菌细胞的死亡。找到并沉默这些区域对细胞的生存至关重要。

该团队最近的工作揭示了细菌是如何做到这一点的——利用一种古老的分子,在任何有生命的地方都能找到这种分子,叫做聚磷酸盐。雅各布说,这种分子非常重要,以至于诺贝尔奖得主阿瑟·科恩伯格花了他职业生涯最后20年的时间来研究它。

“他发现它在细菌、毒性和应激反应中发挥作用,但从未弄清楚它到底在做什么,”雅各布说。

Jakob、Freddolino和他们的团队发现,这种简单的分子将核相关蛋白靶向到细菌基因组中包含这些问题元素的区域,并抑制它们的转录。

雅各布说,去除多聚磷酸盐或核相关蛋白后,细菌会突然动员这些原噬菌体,导致重大突变。

“细菌在这种情况下很容易死亡,”Freddolino说,“这是一个直到现在才被认识到的极其重要的系统。”

此外,该团队还表明,在体外,核相关蛋白聚磷酸盐和DNA在一种被称为液-液相分离的过程中形成液滴,这一机制也构成了真核生物细胞核外细胞间室的组织。

Freddolino说:“这一发现继续推进我们现在的想法,即细菌在组织染色体的方式上与真核生物非常相似。”他说,利用这种沉默过程可以使科学家有能力逆转它,为抗生素开辟全新的途径。

文章标题

“Polyphosphate drives bacterial heterochromatic formation,” Science AdvancesDOI: 10.1126/sciadv.abk0233


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