DNA超螺旋的模式

来自美国国家生物科学中心(NCBS)和美国国立卫生研究院(NIH)的科学家已经阐明了细菌DNA在不同环境条件下形成的复杂结构中的全基因组模式。DNA中的这些复杂结构可能在调节基因表达中起重要作用。

“弯曲和扭曲，然后伸展和转动，现在放松”。听起来像是一系列练习指令，也是描述DNA片段可以呈现的各种形状的词语。与DNA相关联的经典双螺旋结构只是对其物理“形状”的极其有限的看法。拥有生命密码的分子能够进一步将自身缠绕成无数复杂的形状，称为“超螺旋”，能够影响基因表达模式。现在，来自美国国家生物科学中心(NCBS)，班加罗尔和美国国立卫生研究院(NIH)的研究人员已经阐明了大量研究细菌大肠杆菌的基因组超螺旋模式。

DNA分子被缠绕并重新缠绕成复杂的结构，将其巨大的长度缩小到实际尺寸的一小部分，以便将它们的长信息串融入微观细胞中。但这种整齐地融入细胞的“包装”DNA也需要定期“解包”以进行基因表达和复制。当基因被表达时，它被蛋白质机器“读取”以产生编码更多蛋白质的信使转录物。这需要DNA从其双螺旋中解开 - 这一过程会导致基因组上其他位置的DNA区域进一步扭曲和卷曲或“过度”。类似地，当基因组在繁殖期间复制时，也会发生解旋和过度缠绕。因此，在任何给定时间，细胞的遗传物质处于结构通量的恒定状态 - 根据细胞的活动状态，形成，丢失和改变线圈，超螺旋，弯曲，曲折和转弯。

细菌细胞可以暴露于各种环境变化，包括饥饿期，缺氧期和不利的温度。在这些情况下存活将需要细菌通过改变相应的遗传表达谱来改变其蛋白质库。长期以来，科学家一直认为这些变化可能是通过DNA超螺旋结构的变化来实现的。例如，已知在营养丰富的条件下，在富营养条件下活跃分裂细胞的基因组比来自固定期细胞的基因组更少地受到伤害。换句话说，超级卷取可能对环境的变化很敏感。

虽然最近方法学的进步使得研究人员能够在局部尺度上研究人类和酵母细胞中的DNA超螺旋，但这种方法从未应用于细菌基因组。来自NCBS的Aswin SN Seshasayee小组和美国国立卫生研究院的Sankar Adhya教授团队的研究人员目前正在应用这些方法来研究细菌水平的细菌DNA超螺旋。使用化学三甲基补骨脂素，暴露于紫外线和微阵列技术，研究团队获得了暴露于不同外部条件下细菌内基因组超螺旋的特定部分变异的信息。

“我们首次在细菌中以细小的分辨率测量了DNA超螺旋。这项研究提供了概念验证，即基因组的超螺旋不均匀，并且它在基因间的局部变化。它还提供证据支持关于细菌细胞可以通过改变基因组结构来调节基因表达和自身生理的假设，“ 自然通讯杂志上发表的第一作者Avantika Lal说。

为了研究环境刺激对细菌基因组超螺旋状态的影响，使用两个大肠杆菌群来模拟两种不同的外部条件。人们模拟了营养丰富的情况，即活跃分裂的细胞代表了不断增长的人口; 而另一个代表了一个人口已经耗尽其营养并且处于“静止”阶段的状况。由于三甲基补骨脂素与DNA的结合与DNA中的超螺旋量成正比，因此可以在这两种情况下研究全基因组的缠绕模式。结果表明大肠杆菌“静止”阶段的细胞在其圆形基因组中显示出超螺旋梯度。然而，在活跃分裂的细胞中，尽管整个基因组比来自“静止”阶段的细胞的基因组更加超螺旋，但是该梯度丢失了。

“现在还很早，但这项工作为了解哪些基因的表达受环境影响铺平了道路，”阿凡提卡说。“这项工作可以告诉我们如何通过改变外部条件改变DNA超螺旋来改变基因表达，从而控制细胞生理学，”她补充道。