Cell：「小身体，大智慧」Cell 重磅揭示大肠杆菌染色体折叠模式及影响因素

染色体是细胞生命活动的物质结构基础，与多种细胞过程息息相关，如基因表达、DNA 修复和染色体分离，其正确折叠至关重要。所有细胞都须将自身的基因组通过折叠压缩在一个小体积空间当中。

与真核细胞不同，细菌细胞没有核膜，并且不会将其染色体 DNA 包装成类似于核小体的重复结构单元。然而，它们仍然折叠并集中它们的染色体物质，形成一个动态的、有组织的 DNA 网络，称为类核（nucleoid）。

近日，美国耶鲁大学 Christine Jacobs-Wagner 研究小组在 Cell 杂志上发表了题为 Interconnecting solvent quality， transcription， and chromosome folding in Escherichia coli 的论文，揭示了大肠杆菌中的染色体折叠规律。

在本研究中，作者采用细胞的简单聚合物物理学视角，将细胞质视为聚合物溶液，其中聚合物是 DNA，溶剂是细胞质中的其他所有物质（例如，水、代谢物、蛋白质、核糖体和 RNA）。

根据聚合物-溶剂相互作用，溶剂的质量大致分为三种类型：理想、良好和差。

在良好效应的溶剂中，聚合物和溶剂之间的相互作用优于聚合物链段之间的相互作用。相反，在不良溶剂中，聚合物链段之间的相互作用比它们与溶剂的相互作用更有利。理想状态则是排斥和吸引相互作用被相互抵消。

类核区域内 DNA 浓度（图片来源：Cell）

大肠杆菌细胞中的表观平均类核大小

在营养贫乏和营养丰富的条件下，细胞 DNA 含量和类核大小基本保持不变。

为了探测类核网格大小，研究人员使用大肠杆菌菌株（CJW6340，表达带有 GFP 标记的人工设计的蛋白质，该蛋白质自组装成 25 nm 的 60 个亚基十二面体纳米笼）进行单粒子跟踪实验。

单粒子跟踪实验显示类核不存在空间位阻，整体平均均方位移与布朗运动一致，推测平均类核网格尺寸 > 25 nm。

使用更大的探针 GFP-μNS 颗粒（平均大小为 58 nm）的探针，发现其定位在细胞极区（即远离类核）的可能性增加，估计表观平均类核网格大小约为 50 nm。

表观平均类核网格尺寸的估计（图片来源：Cell）

细胞质是染色体的不良溶剂并促进染色体结构域的形成

通过染色体构象的 3D 蒙特卡罗模拟将大肠杆菌染色体建模为自由连接的链，调整相邻 DNA 片段之间角度范围的约束，以模拟溶剂质量。

模拟揭示了不同溶剂条件下染色体构象的巨大差异：

相对于理想和良好的溶剂条件，在不良溶剂条件下，DNA 密度似乎在空间上更加不均匀，与用超分辨率荧光图像观察的细菌类核 DNA 密度的空间异质性一致。相比于良好的溶剂，细胞质的不良溶剂效应可以导致多至 60 倍的染色体压缩比。

在不良溶剂中，DNA 片段往往彼此更接近，导致形成 DNA 密度高的区域与 DNA 密度低的区域交错。这种 DNA 密度的空间异质性产生了空洞现象，以增加表面的平均网格尺寸，并允许更大的物体通过。

而在理想和良好的溶剂条件下，类核 DNA 密度在空间上更加均匀，平均网格尺寸较小。

细胞质中有效的不良溶剂可以促进染色体结构域（domain）的形成，这种结构类似于 Hi-C 实验中所见到的染色质互相作用域（CIDs）。只有在较差溶剂条件下才能看到大的域状结构。

大肠杆菌染色体构象在不同类型溶剂中的模拟（图片来源：Cell）

类核体内核糖体密度的空间异质性与DNA密度呈负相关

核糖体主要以多聚核糖体形式存在，富集在类核区域之外。断层重建和核糖体定位显示，核糖体密度高度不均匀。除了预期的核糖体在细胞周围富集外，核糖体在细胞质中表现出密度的异质性，包括在细胞的中心区域 (即类核区)。

在类核体内，核糖体荧光信号与 DNA 信号呈负相关，这说明细胞质的不良溶剂效应是导致 DNA 密度不均匀的原因，而 DNA 密度不均匀又反过来影响了核糖体的定位。

大肠杆菌层析图中核糖体的空间分布（图片来源：Cell）

核糖体密度与类核区域内的 DNA 呈负相关（图片来源：Cell）

不同溶剂中染色体大小的模拟结果（图片来源：Cell）

转录是导致细胞质不良溶剂效应的原因

如果多聚核糖体拥挤是核样紧密化的主要促进因素，那么这个假说预言，即使转录不受影响，多聚核糖体丰度的减少也会导致类核样扩张。

为了检验这种可能性，作者用春雷霉素（Ksg，一种典型的 RNA 翻译启动抑制剂）处理大肠杆菌细胞，以将多聚核糖体转化为游离的核糖体亚单位和无核糖体的 mRNAs，减少多聚核糖体的丰度。

作者发现细胞与 Ksg 孵育 40 分钟后类核体并没有扩大，大多数类核体看起来更加紧凑，细胞中可辨别类核体的比例显着减少。

Ksg 处理导致类核向彼此移动与合并。这种聚合能界面相互作用变小，促进类核体和 RNA 之间的分离。

而在利福平（Rif，一种广谱抗生素药物）处理后，RNA 合成停止，转录抑制，核质比率 (核质面积除以细胞面积) 增加，核质发生膨胀。这些结果表明 RNA 水平越高，RNA 和 DNA 之间的分离越大，核样结构越紧密。

总之，DNA 和 RNA 之间的排斥作用，导致了染色体细胞质的不良溶剂效应。

RNA/DNA 分离和类核紧密度（图片来源：Cell）

导致细胞质不良溶剂效应的因素

类核蛋白（NAPs）和其他 DNA 结合蛋白（如转录调节蛋白）是与染色体相互作用的因素之一。蛋白与阴离子 DNA 聚合物的结合能局部改变染色体的静电势，通过弯转扭曲 DNA 减少 DNA 螺旋长度，进一步改变类核体的压缩程度和网格尺寸。

高离子强度的细胞质也可能导致较差的溶剂效应。体外研究表明，随着盐浓度的增加，DNA 片段之间的净相互排斥减少。二价镁离子不仅可以屏蔽 DNA 上的电荷，还可以诱导 DNA 片段之间的相互吸引。

分子动力学模拟表明，大分子拥挤可以被视为有效地降低溶剂效应。因此，多聚核糖体丰度的变化、高 RNA 水平与 RNA/DNA 分离度和类核紧密程度增大相关。

在 CID 域的边界，高转录活性导致新生 RNA 积累。这些 RNA 仍然通过 RNA 聚合酶与 DNA 结合，不能扩散。作者推测，为了尽量减少与这些结合 RNA 的接触，DNA 链通过收缩降低其边界处的局部密度，在边界两侧形成密集的 DNA 区域。

研究亮点：

大肠杆菌作为典型的模式生物，是研究得最为详尽的原核细菌。它们的染色体被压缩成类核，但对于染色体压缩和结构域的形成还没有完全理解。

本研究中提出了一种预测大肠杆菌中类核平均网格大小的方法。当细胞被视为简单的半稀释聚合物溶液时，细胞质表现为染色体的不良溶剂。

不良溶剂效应会导致染色体压实和 DNA 密度异质性，异质 DNA 密度与类核内的核糖体密度呈负相关，并发现 RNA 也会导致不良的溶剂效应。该研究将染色体压实和结构域形成与转录和细胞内组织联系起来，对染色体形成的机制有了更深入的了解。

图片来源：Cell

原始出处：

Yingjie XiangIvan V. SurovtsevYunjie Chang， et al. Interconnecting solvent quality， transcription， and chromosome folding in Escherichia coli. CellVol. 184Issue 14p3626–3642.e14.