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市场动态MARKET DYNAMICS

NC丨基因组只有816kb的极小细菌肺炎支原体,它的基因组3D结构长这样!

发布时间:2019-3-7 16:26:27阅读次数: .html 次分享到:


        动植物基因组的三维结构普遍较为复杂,一定程度上是因为其基因组庞大,要将上亿个碱基压缩到微米级的细胞核中,并发挥稳定有序的功能。近年来人们通过高通量染色体构象捕获(Hi-C)技术研究了较多动植物的基因组三维结构,发现其采取了分层级压缩的策略(loop、TAD、compartment结构)。然而,细菌的基因组非常小,一般不超过10Mb,而且没有细胞核的包裹,以拟核的形式裸露在细胞中。可想而知,细菌的基因组三维结构可能并不复杂,然而人们对它们的了解却还远不及动植物。


        肺炎支原体(Mycoplasma pneumoniae)是一种没有细胞壁且能独立生活可人工培养的最小细胞型原核微生物,不同于普通的细菌和病毒,它比细菌小,比病毒大。细菌和病毒感染都能够导致肺炎,起初国外学者描述了一种不明病原体的肺炎,其不同于典型的由肺炎链球菌所致的肺炎,对青霉素治疗没有反应,故称为“非典型肺炎”。随着研究的深入,人们认识到引起这种肺炎的病原体就是肺炎支原体。


        有趣的是,肺炎支原体的基因组三维结构已经被人们解析,文章已于2017年发表在《Nature Communication》,接下来让我们一起看看这种极小细菌支原体的基因组3D结构是什么样子。



研究背景

        目前人们已经通过Hi-C技术发现新月柄杆菌基因组分成了23个互作结构域(chromosome interacting domains, CIDs),大小位于30~400kb之间,这一结构类似于真核生物中的TAD。枯草芽孢杆菌中的CID大小为50~300kb,而大肠杆菌的基因组由4个约1Mb的巨大结构域和2个压缩程度相对较弱的区域组成,这些结构影响着大肠杆菌染色体的运动和分离。

 

        以上细菌的基因组均超过4Mb,编码上百个转录因子和多种结构蛋白,肺炎支原体的基因组大小不到1Mb,只有816,394 bp,具有很少已知的能够折叠染色体的核相关蛋白(nucleoid associated proteins, NAPs),和屈指可数的转录因子。那么它是如何维持其染色体结构的呢?研究者通过Hi-C技术解析了其基因组三维结构,并通过电子显微镜和超分辨率显微镜验证了其结构。发现与大肠杆菌(下图a)和枯草芽孢杆菌(下图b)的基因组3D结构模型有所不同,其基因组以复制起始位点(Ori)和染色体中部为轴呈现出对称分布(下图c)。




主要结果

        From M. pneumoniae Hi-C maps to 3D chromatin structure, Ori and midpoint are located at the two poles.

        研究者使用四碱基酶HpaII和六碱基酶HindIII以稳定期的肺炎支原体分别进行了多个重复的Hi-C实验,数据分析表明其相关性均良好,遂以具有更高分辨率的四碱基酶的数据进行了后续分析。从其互作图谱可看出,反对角线的出现表明染色体两条臂间的互作,这与新月柄杆菌类似。通过三维模型构建,发现基因组以复制起始位点(Ori)和染色体的中部(midpoint)为轴线呈现出对称分布,即Ori和midpoint分别位于染色体的两极。


        Validation of chromosome dimensions by DAPI and EM imaging.

        为了验证3D模型的准确性,研究者使用DAPI染色DNA,统计出其染色体的平均长度为775nm,平均宽度为482nm,这与3D模型中染色体平均长度874nm,平均宽度568nm的结果相当。使用电子显微镜拍摄了处于稳定期的肺炎支原体细胞,评估出其细胞体积为0.075 um3,并观察到了细胞沿轴的对称性,体积大小也接近3D模型中的0.074 um3,这一结果支持了Hi-C数据3D模型的正确性。


        Genes are co-expressed within chromosome interaction domains.

        研究者在3kb分辨率下鉴定出肺炎支原体全基因组分为了44个CIDs,大小为15~33kb,比之前报道的新月柄杆菌和枯草芽孢杆菌的CID大小均更小。基因的位置、功能同源基因簇、转录因子、甲基化水平等均没有在这些CID的边界富集,但是发现CID边界的GC含量显著低于CID内部。


        此外,研究者发现CID内部的基因存在显著的共表达现象,44个CID中有33个位于其中的基因呈现出高度共表达,并且这种现象并不只是因为基因在线性距离的邻近性所导致的。肺炎支原体含有671个操纵子,绝大多数是单顺反子或双顺反子。852个亚操纵子的平均大小为605bp,最长的为9197bp,这小于CID的平均长度(15kb)。在CID 8和9中分别存在20个和14个亚操纵子,每个CID中的平均操纵子和亚操纵子的数量分别为15个和18个,同一个结构域中的不同操纵子相比位于不同结构域中的操纵子更加趋向于被共同调控。这些结果表明,肺炎支原体基因组分成了具有共表达基因所组成的结构域。


        Inhibiting supercoiling reduces domain borders sharpness.

        为了研究超螺旋对CID形成的影响,研究者使用能够抑制促旋酶和负超螺旋化的新生霉素(novobiocin)处理了肺炎支原体细胞,结果发现CID数量减少为42个,大小为9~30kb(平均大小18kb),其中有15个CID是保守未变化的。CID边界的强度发生减弱,但CID的密度未显著性的改变,这些结果表明,与新月柄杆菌类似,新生霉素减弱了肺炎支原体基因组CID边界的强度,提示超螺旋化可能参与调节细菌基因组结构域的形成过程。


        肺炎支原体中染色体结构蛋白的数量非常少,DNA结合蛋白和转录因子的数量也很少,这使得其维持CID边界的稳定相对比较困难,可能存在着一些额外的其它因子作用于结构域的形成,如超螺旋化和CID边界的低GC含量可能通过影响DNA的物理化学特征而参与着结构域和边界的形成。有意思的是,位于同一个CID内部的基因趋向于共表达,文章结果表明,在细胞中形成染色体的高级结构是生命体的一个普适规律。

 

        细菌基因组虽然简单,但也自有一套独特的基因组三维结构特征,与大型动植物基因组三维结构的调控模式相比,这些细小的原核生物,它们又是如何控制着自身基因表达的生命过程呢?细菌特有的生命性状如致病性、易传播性、抗药性、抗逆性、代谢产物的积累等,与其基因组三维结构又有何种千丝万缕的联系呢?这些问题亟需人们的深入研究和解答。




        好玩的现金棋牌致力于提供高质量的三维基因组Hi-C等技术,目前已完成近百个物种的基因组三维结构解析,包括条件致病菌、活性代谢产物生产菌、极端抗逆菌、发酵菌等多种原核细菌的Hi-C。我们期待着能够揭晓更多的细菌基因组三维结构,研究其与特殊性状之间的关系,使人们能够更加深入的理解三维结构与基因表达的调控关系,以期解决当前细菌耐药性、致病菌的易传播性、逆境下的高存活性、次级代谢产物积累的负反馈调节性等问题。

 

        细菌千万种,结构大不同,三维何处归,菲沙来助推!


       配图来源于网络/侵删




        参考文献:

        Marie Trussart, et al. Defined chromosome structure in the genome reduced bacterium Mycoplasma pneumoniae. 2017, Nature Communications.






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