科学家揭示了细菌DNA中隐藏的结构

2020-11-17 83支原体

科学家揭示了细菌DNA中隐藏的结构。DNA包含了生命的指令,编码在基因中,在所有细胞中,DNA组织成很长的长度,称为染色体。在所有细胞中,DNA被组织成很长的长度,称为染色体。在动物和植物细胞中,这些染色体是双头的,就像绳子或鞋带,但在细菌中,它们是圆形的。不管是线状还是环状,这些长长的染色体都必须在细胞内进行组织和包装,以便在需要时开启或关闭基因。

科学家揭示了细菌DNA中隐藏的结构

由ICREA研究教授、基因组调控中心生物系统设计实验室负责人Luis Serrano领导的研究人员与西班牙、日本和澳大利亚的同事合作,将注意力集中在一种基因组极小的生物体--肺炎病原体肺炎支原体--内部的DNA组织上。它的圆形染色体比肠道虫大肠杆菌等大型细菌的染色体小5倍。

研究人员利用一种名为Hi-C的技术,揭示了不同DNA片段之间的相互作用,创建了一张支原体染色体的三维 "地图"。然后,他们使用超分辨率显微镜证明,这张电脑生成的地图与现实生活中细菌细胞内的染色体组织相吻合。

值得注意的是,CRG团队借助Serrano实验室在支原体方面的专业知识,以及CNAG-CRG的ICREA研究教授Marc Marti-Renom的合作,发现支原体的圆形染色体在所有细胞中的组织方式都是一致的,在结构的一端有一个叫做Origin(DNA复制开始的地方)的区域,而染色体的中点则位于另一端。这与其他一些较大的细菌物种的排列方式类似。

探究更详细的组织模式

科学家们还利用Hi-C技术研究了支原体基因组内更详细的组织模式。近年来,全世界的科学家都在研究从较大的细菌到人类等物种的细胞内染色体的组织。新一代测序技术使科学家们能够 "读取 "任何基因组的DNA序列,但这并不能揭示在细胞内拥挤而喧嚣的生物环境中,遗传信息是如何管理和组织的。现在,新的工具揭示了大型生物体基因组内复杂的组织结构,染色体的某些区域聚集在一起,形成了包含基因的域,这些域共同开启或关闭。

然而,人们认为这些域不会在支原体中发现,因为它的基因组非常小,而且它只制造了大约20种不同的DNA结合蛋白,负责组织染色体,而其他细菌物种则制造了数百种。

耐人寻味的是,CRG团队发现,即使是微小的支原体染色体也会被组织成不同的结构域,每个结构域都包含基因,这些基因也会以协调的方式开启或关闭。

研究意义

论文的主要作者Marie Trussart说。"研究基因组如此之小的细菌是一个很大的技术挑战,尤其是我们使用的是超分辨率显微镜,我们花了五年时间才完成这个项目。我们曾怀疑支原体基因组的整体组织结构可能与其他细菌相似,但我们完全惊讶地发现,它也被组织成了域,可以被认为是染色质组织的调节单元,我们发现了一个以前未知的基因调节层。这项研究表明,不能仅仅通过观察基因组中DNA的线性序列来理解基因的组织和控制。事实上,要想了解基因调控的全貌,我们需要研究染色质的三维组织,它也协调着基因的活动。"

科学家揭示了细菌DNA中隐藏的结构,这一发现表明,这种层次的组织和基因控制是所有活细胞的共同特点,从最大的细胞到最小的细胞,只需要少量的DNA结合蛋白和DNA本身的结构特性就可以实现。

CRG团队长期以来一直致力于实现对肺炎支原体在各个层面的详细定量分析:从遗传学到新陈代谢,包括基因活性和蛋白质组成的模式等等。他们计划利用这些发现为专注于控制和操纵基因工程细菌中的基因活性的研究提供信息,因为基因工程细菌有许多重要的医疗和工业应用。

引用

Center for Genomic Regulation. "Scientists reveal hidden structures in bacterial DNA." ScienceDaily. ScienceDaily, 23 March 2017. www.sciencedaily.com/releases/2017/03/170323132532.htm.

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