來自美國國家生物科學(xué)中心(NCBS)和美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)的科學(xué)家已經(jīng)闡明了細(xì)菌DNA在不同環(huán)境條件下形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的全基因組模式。DNA中的這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)可能在調(diào)節(jié)基因表達(dá)中起重要作用。

“彎曲和扭曲，然后伸展和轉(zhuǎn)動(dòng)，現(xiàn)在放松”。聽起來像是一系列練習(xí)指令，也是描述DNA片段可以呈現(xiàn)的各種形狀的詞語。與DNA相關(guān)聯(lián)的經(jīng)典雙螺旋結(jié)構(gòu)只是對其物理“形狀”的極其有限的看法。擁有生命密碼的分子能夠進(jìn)一步將自身纏繞成無數(shù)復(fù)雜的形狀，稱為“超螺旋”，能夠影響基因表達(dá)模式?，F(xiàn)在，來自美國國家生物科學(xué)中心(NCBS)，班加羅爾和美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)的研究人員已經(jīng)闡明了大量研究細(xì)菌大腸桿菌的基因組超螺旋模式。

DNA分子被纏繞并重新纏繞成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，將其巨大的長度縮小到實(shí)際尺寸的一小部分，以便將它們的長信息串融入微觀細(xì)胞中。但這種整齊地融入細(xì)胞的“包裝”DNA也需要定期“解包”以進(jìn)行基因表達(dá)和復(fù)制。當(dāng)基因被表達(dá)時(shí)，它被蛋白質(zhì)機(jī)器“讀取”以產(chǎn)生編碼更多蛋白質(zhì)的信使轉(zhuǎn)錄物。這需要DNA從其雙螺旋中解開 - 這一過程會導(dǎo)致基因組上其他位置的DNA區(qū)域進(jìn)一步扭曲和卷曲或“過度”。類似地，當(dāng)基因組在繁殖期間復(fù)制時(shí)，也會發(fā)生解旋和過度纏繞。因此，在任何給定時(shí)間，細(xì)胞的遺傳物質(zhì)處于結(jié)構(gòu)通量的恒定狀態(tài) - 根據(jù)細(xì)胞的活動(dòng)狀態(tài)，形成，丟失和改變線圈，超螺旋，彎曲，曲折和轉(zhuǎn)彎。

細(xì)菌細(xì)胞可以暴露于各種環(huán)境變化，包括饑餓期，缺氧期和不利的溫度。在這些情況下存活將需要細(xì)菌通過改變相應(yīng)的遺傳表達(dá)譜來改變其蛋白質(zhì)庫。長期以來，科學(xué)家一直認(rèn)為這些變化可能是通過DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的變化來實(shí)現(xiàn)的。例如，已知在營養(yǎng)豐富的條件下，在富營養(yǎng)條件下活躍分裂細(xì)胞的基因組比來自固定期細(xì)胞的基因組更少地受到傷害。換句話說，超級卷取可能對環(huán)境的變化很敏感。

雖然最近方法學(xué)的進(jìn)步使得研究人員能夠在局部尺度上研究人類和酵母細(xì)胞中的DNA超螺旋，但這種方法從未應(yīng)用于細(xì)菌基因組。來自NCBS的Aswin SN Seshasayee小組和美國國立衛(wèi)生研究院的Sankar Adhya教授團(tuán)隊(duì)的研究人員目前正在應(yīng)用這些方法來研究細(xì)菌水平的細(xì)菌DNA超螺旋。使用化學(xué)三甲基補(bǔ)骨脂素，暴露于紫外線和微陣列技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)獲得了暴露于不同外部條件下細(xì)菌內(nèi)基因組超螺旋的特定部分變異的信息。

“我們首次在細(xì)菌中以細(xì)小的分辨率測量了DNA超螺旋。這項(xiàng)研究提供了概念驗(yàn)證，即基因組的超螺旋不均勻，并且它在基因間的局部變化。它還提供證據(jù)支持關(guān)于細(xì)菌細(xì)胞可以通過改變基因組結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)基因表達(dá)和自身生理的假設(shè)，“ 自然通訊雜志上發(fā)表的第一作者Avantika Lal說。

為了研究環(huán)境刺激對細(xì)菌基因組超螺旋狀態(tài)的影響，使用兩個(gè)大腸桿菌群來模擬兩種不同的外部條件。人們模擬了營養(yǎng)豐富的情況，即活躍分裂的細(xì)胞代表了不斷增長的人口; 而另一個(gè)代表了一個(gè)人口已經(jīng)耗盡其營養(yǎng)并且處于“靜止”階段的狀況。由于三甲基補(bǔ)骨脂素與DNA的結(jié)合與DNA中的超螺旋量成正比，因此可以在這兩種情況下研究全基因組的纏繞模式。結(jié)果表明大腸桿菌“靜止”階段的細(xì)胞在其圓形基因組中顯示出超螺旋梯度。然而，在活躍分裂的細(xì)胞中，盡管整個(gè)基因組比來自“靜止”階段的細(xì)胞的基因組更加超螺旋，但是該梯度丟失了。

“現(xiàn)在還很早，但這項(xiàng)工作為了解哪些基因的表達(dá)受環(huán)境影響鋪平了道路，”阿凡提卡說。“這項(xiàng)工作可以告訴我們?nèi)绾瓮ㄟ^改變外部條件改變DNA超螺旋來改變基因表達(dá)，從而控制細(xì)胞生理學(xué)，”她補(bǔ)充道。