古生物中DNA折叠的起源

在棕榈树，人类和一些单细胞微生物的细胞中，DNA以相同的方式弯曲。现在，通过研究被称为Archaea的微生物中与DNA结合的蛋白质的三维结构，科罗拉多大学博尔德分校和霍华德休斯医学研究所(HHMI)的研究人员在更复杂的生物体中发现了令人惊讶的相似性。

科罗拉多大学博尔德分校化学与生物化学教授，HHMI调查员卡罗琳·鲁格说：“如果你看看细节，那就完全相同了。”“这让我大吃一惊。”

今天在“科学”杂志上描述的古菌DNA折叠暗示了基因组折叠的进化起源，这是一个涉及弯曲DNA的过程，一个在所有真核生物中都非常保守的过程(具有由膜包围的确定核的生物)。

像Eukarya和Bacteria一样，Arachaea代表了生命的三个领域之一。但古细菌被认为包括最接近古代祖先的亲戚，这首先是关于折叠DNA的想法。

科学家们早就知道，所有真核生物中的细胞，从鱼到树，再到人，都以完全相同的方式包装DNA。DNA链缠绕在由八种组蛋白组成的“冰球”上，形成所谓的核小体。核小体在DNA链上串在一起，形成“串上的珠子”结构。这种基因项链的普遍保护提出了它的起源问题。

研究报告的共同作者，俄亥俄州立大学的微生物学家John Reeve说，如果所有的真核生物都具有相同的DNA弯曲方式，那么“它必须在一个共同的祖先中进化”。“但那个祖先是什么，是一个没人问的问题。”

Reeve的早期工作已经在古细菌中发现了组蛋白。但是，古细菌是原核生物(没有确定的细胞核的微生物)，因此尚不清楚那些组蛋白蛋白质在做什么。通过检查含有与古菌组蛋白结合的DNA的晶体的详细结构，这项新研究揭示了DNA包装的确切作用。

Luger和她的同事们想在Methanothermus fervidus中制造组蛋白-DNA复合物的晶体，这是一种热爱古菌的物种。然后，他们想用X射线轰击晶体。这种称为X射线晶体学的技术可以准确地提供有关所研究分子中每种氨基酸和核苷酸位置的信息。但是生长晶体很棘手(组蛋白会坚持任何给定的DNA片段，很难创建一致的组蛋白DNA结构)，并且理解他们可以获得的数据并非易事。

“这是一个非常粗糙的晶体学问题，”卢格说。

然而，Luger和她的同事坚持不懈。研究人员发现，尽管使用单一类型的组蛋白(而不是真核生物中的四种)，古细菌以非常熟悉的方式折叠DNA，产生与真核细胞核中发现的相同的弯曲。

但也有差异。古细菌DNA代替串上的单个珠子形成长的超螺旋，即已经扭曲的DNA链的单个大曲线。

“在古生物中，你只有一个积木，”卢格说。“没有什么可以阻止的。它几乎就像它是一个连续的核小体，真的。”

事实证明，这种超级螺旋形成很重要。当CU博尔德博士后研究员Francesca Mattiroli与科罗拉多州立大学的Thomas Santangelo实验室一起创造了干扰这种结构的突变，细胞在压力条件下生长困难。更重要的是，细胞似乎没有正确使用一组基因。

“这些突变很明显，它们不能形成这些延伸，”马蒂罗利说。

结果表明，古菌DNA折叠是真核核小体的早期原型。

“我不认为这是祖先的怀疑，”里夫说。

尽管如此，仍有许多问题。Luger说她想寻找缺失的环节 - 一种核小体样结构，它弥合了简单的古菌褶皱和真核生物中发现的精细核小体之间的差距，这种核小体可以将大量的DNA包装到一个狭小的空间中并调节基因行为在很多方面。

“我们怎么从这里到那里?”她问。