原核生物大腸桿菌染色體DNA體內(nèi)盤繞方式模型示意圖。（a）質(zhì)粒DNA從負(fù)超螺旋構(gòu)象演化成“雙重螺線圈”構(gòu)象的二維路徑示意圖。（b）“雙重螺線圈”構(gòu)象具有自對稱“8”字形骨架（左）和兩個由外入內(nèi)漸進(jìn)盤繞的螺線圈（右）。（c）大腸桿菌染色體DNA體內(nèi)靜態(tài)盤繞的三維立體模式
生命機(jī)體內(nèi)部有機(jī)生物大分子種類構(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)時啟動轉(zhuǎn)錄處于細(xì)胞生命活動的中心位置。雖然人類基因組計(jì)劃已經(jīng)完成，但是數(shù)以億計(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)來應(yīng)對正常生命活動和細(xì)胞內(nèi)外信號刺激。這些基本調(diào)控運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制正是攻克人類疾病和藥物醫(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，基礎(chǔ)研究生物學(xué)家們幾十年以來一直以原核生物??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。人們早在幾十年以前已經(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，生物界另一大類原核生物，人們對其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。
最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）軟物質(zhì)物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SM1組副研究員劉玉如、研究員謝平、研究員王鵬業(yè)和SM4組研究員李明等對大腸桿菌染色體DNA組裝進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。先前王鵬業(yè)和劉玉如在研究鉑類抗癌藥物與DNA單分子作用機(jī)理時，意外地觀察到了環(huán)形質(zhì)粒DNA在鉑類藥物協(xié)同作用下自發(fā)盤繞成“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)形成自我對稱的8字形“雙重螺線圈”構(gòu)象，并通過原子力顯微鏡成功地觀察到其動態(tài)演變過程。借助于近年來該研究組深入進(jìn)行DNA大分子對力和鉑類藥物作用響應(yīng)生物物理特性研究的積累，他們對這一奇異現(xiàn)象發(fā)生的原理進(jìn)行了解釋和推演。由于DNA大分子和鉑類藥物反應(yīng)過程的復(fù)雜性，通過理論計(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)盤繞的動態(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)一個復(fù)制周期中各個階段的盤繞狀態(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，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PALM超高分辨率熒光顯微成像技術(shù)，對不斷分裂大腸桿菌HNS-mEos2熒光蛋白簇的演化進(jìn)行了實(shí)時動態(tài)觀測。HNS是一種類核相關(guān)蛋白，其伴隨著DNA的凝聚，可用其來示蹤DNA盤繞狀態(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對稱熒光團(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HNS熒光團(tuán)簇指示出了一個DNA“螺線圈”。這一模型也支持了細(xì)菌染色體凝聚在類核中是內(nèi)在力學(xué)性質(zhì)扮演支配角色這一觀點(diǎn)。同時，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，對原核生物染色體DNA分布的直接觀測還不可能，因而對于此理論模型的直接觀測證據(jù)還有待于未來研究提供。該項(xiàng)研究結(jié)果于11月24日發(fā)表在ScientificReports（doi:10.1038/srep17133()）。
該工作得到了科技部“973”項(xiàng)目（課題號：CB837200）、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（課題號：11204363，11274374，61275192）和中國科學(xué)院的支持。
本文來自：逍遙右腦記憶 http://www.yy-art.cn/chuzhong/809274.html
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