撰文 | 奚望
與真核生物類似，原核生物的染色質也在擬核內處於近1000倍的壓縮狀態中。而這種壓縮是如何發生的，以及它們是如何在這種狀態下保持基因組的正常功能就成為了研究的熱點。目前人們認為，在原核生物中是擬合關聯蛋白（NAP）和凝集素的協同作用完成了染色質壓縮。這些結論主從兩種技術中得來，一是熒光顯微鏡的觀察和染色質構象捕捉（3C），二是λ噬菌體重組。依靠這些技術，人們發現大腸桿菌的染色質在空間上存在多個區塊型結構，他們稱為之“大結構域”（“macrodomain”，MD），或是染色質互作結構域（chromosomal interaction domain）。然而這些技術在敏感度、普遍性或是保真度上都各有欠缺。
2020年2月13日，德克薩斯大學奧斯汀分校Rasika M. Harshey與密歇根大學Peter L. Freddolino在Cell雜誌上發表文章A Well-Mixed E. coli Genome: Widespread Contacts Revealed by Tracking Mu Transposition。他們使用轉座噬菌體Mu探索了大腸桿菌全基因組範圍內的染色質構象，而得出的結論也和前人有所不同--大腸桿菌的基因組是高度混雜的，並不存在阻止某些區域相互作用的邊界。
Mu噬菌體可以將自身序列整合插入到大腸桿菌基因組上，然後通過複製轉座（replicative transposition）的方式，將其序列拷貝到與原始插入位置有物理接觸的位點，而後通過測序就可得得知拷貝發生的位置了。研究者將大腸桿菌基因組分為100個均勻段，對其中的35段中的每一段進行了獨立的Mu插入，然後測量了剩餘段上的Mu拷貝數。作者發現，無論初始的插入位點是在哪裡，Mu拷貝發生的位置都幾乎是隨機和均勻的。這意味著在大腸桿菌擬核內，任意兩個區域都有著相似的概率發生物理接觸，所謂MD或是CID結構的邊界並不能阻止染色質的相互作用。而由於這些大腸桿菌的細胞週期並沒有調節一致，其中的部分細胞可能正處於分裂的過程中。對於這些細胞，染色質的Ori區域已經移動到兩極開始分裂，因此相互作用發生的頻率更高，而Ter區域還處在細胞中間，相互作用的頻率則較低。
接著作者建立了一個LASSO迴歸模型來分析是什麼因素影響了染色質相互作用的發生頻率。他們發現線性距離幾乎不產生影響。而在對上面所提及的Ori和Ter區域的互作偏好進行了調整後，作者發現了許多顯著的、位點特異性的相互作用。這其中有很多是受到協同調控的基因，例如rrnD操縱子所在的區域就和rrnA，B，E，G，H操縱子所在的區域有明顯更強的相互作用。而這些相互作用也得到了熒光標記下顯微鏡觀察的支持。
作者接著研究了大腸桿菌染色質混雜的原因。他們依次對各個結構蛋白NAP進行敲除，其中的大部分並沒有產生顯著影響，而mukB和hupA的敲除大大改變了Mu插入後的拷貝頻率。可以看到，hupA的敲除使得rrn基因簇的數個相互作用下降了。因此，這兩個基因對於維持緊密的“小世界”（small world）染色質結構是至關重要的。
最後，作者利用動力學模擬說明了類似大腸桿菌的環形染色質可能存在兩種主要構象：一種是由短距離相互作用主導的動力學困阻狀態，另外一種是完全平衡態。而類似MukBEF蛋白的環外擠（loop extrusion）功能可能是促成構象從前者到後者轉變的重要原因。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.01.031
製版人：珂
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