Cell:「小身体,大智慧」Cell 重磅揭示大肠杆菌染色体折叠模式及受到影响因素

2021-12-06 07:46:40 来源:
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突变是脂质生命社交活动的物质结构基础,与多种脂质反复息息相关,如基因表达、DNA 修整和突变转化,其正确剪切至关重要。所有脂质都须将自身的基因组通过剪切加速在一个小体积密闭当当中。

与真核子脂质并不相同,生物体脂质没有核子膜,并且可能可能会将其突变 DNA 成品成类似于核子小体的重复举例来说。然而,它们即便如此剪切并集当中它们的突变物质,产生一个动态的、有组织起来的 DNA 因特网,称为类核子(nucleoid)。

近日,美国耶鲁大学 Christine Jacobs-Wagner 数据分析小组在 Cell 杂志上发表了题为 Interconnecting solvent quality, transcription, and chromosome folding in Escherichia coli 的文章,了解到了微生物当中的突变剪切渐进。

在本数据分析当中,著者采用脂质的单纯高分子物理学第一人称,将真核子脂质视为高分子溶液,其当中高分子是 DNA,混合物是真核子脂质当中的其他所有物质(例如,流水、代谢物、脂质内质、脂质内和 RNA)。

根据高分子-混合物交互作用,混合物的质量大致分为三种种类:即使如此、较好和差。

在较好不稳定性的混合物当中,高分子和混合物彼此之间的交互作用优于高分子肽键段彼此之间的交互作用。相反,在经常性混合物当中,高分子肽键段彼此之间的交互作用比它们与混合物的交互作用更为稳固。即使如此状况则是敌视和众多交互作用被相互抵消。

类核子周边 DNA 浓度(幻灯片缺少:Cell)

微生物脂质当中的表型平均值类核子不等

在糖类巨量和糖类比较丰富的必须下,脂质 DNA 纯度和类核子不等基本保持不变。

为了光谱仪类核子网格不等,数据分析人员常用微生物病原体(CJW6340,表达含有 GFP 标记的人工设计的脂质内质,该脂质内质自装配成 25 nm 的 60 个亚基十二面体固态笼)进行单粒子物理。

单粒子物理贞示类核子不共存密闭位阻,主体平均值均方位移与布朗运动原则上,推测平均值类核子网格体积> 25 nm。

常用更为大的核酸 GFP-μNS 颗粒(平均值不等为 58 nm)的核酸,推断出新其出新发点在脂质南半球(即远离类核子)的某种往往增大,估计表型平均值类核子网格不等近为 50 nm。

表型平均值类核子网格体积的估计(幻灯片缺少:Cell)

真核子脂质是突变的经常性混合物并倡导突变结构域的产生

通过突变异构体的 3D 蒙特卡洛精心设计将微生物突变建模为自由连接的肽键,微调相邻 DNA 相片彼此之间角度范围的近束,以精心设计混合物质量。

精心设计了解到了并不相同混合物必须下突变异构体的更大差异:

值得注意即使如此和较好的混合物必须,在经常性混合物必须下,DNA 能量密度似乎在密闭上更为加不各向同性,与用超对比度荧光图片观察的生物体类核子 DNA 能量密度的密闭一般而言原则上。相比于较好的混合物,真核子脂质的经常性混合物不稳定性可以致使多至 60 倍的突变加速比。

在经常性混合物当中,DNA 相片往往彼此更为吻合,致使产生 DNA 能量密度极低的周边地区与 DNA 能量密度低的周边地区交错。这种 DNA 能量密度的密闭一般而言产生了好像反常,以增大表面的平均值网格体积,并允许更为大的物体通过。

而在即使如此和较好的混合物必须下,类核子 DNA 能量密度在密闭上更为加各向同性,平均值网格体积较小。

真核子脂质当中适当的经常性混合物可以倡导突变结构域(domain)的产生,这种结构类似于 Hi-C 物理当中所想起的肝脂质互不作用域(CIDs)。只有在很低混合物必须下才能认出新大的域状结构。

微生物突变异构体在并不相同种类混合物当中的精心设计(幻灯片缺少:Cell)

类核子体内脂质内能量密度的密闭一般而言与DNA能量密度呈近来

脂质内主要以胺基脂质内多种形式共存,富集在类核子周边地区之外。岩层复建和脂质内出新发点贞示,脂质内能量密度极低度不各向同性。除了预期的脂质内在脂质周围富集外,脂质内在真核子脂质当中体现出新能量密度的一般而言,包括在脂质的当中心地带周边地区 (即类核子区)。

在类核子体内,脂质内荧光路径与 DNA 路径呈近来,这说明真核子脂质的经常性混合物不稳定性是致使 DNA 能量密度不各向同性的情况,而 DNA 能量密度不各向同性又反过来影响了脂质内的出新发点。

微生物层析图当中脂质内的密闭原产(幻灯片缺少:Cell)

脂质内能量密度与类核子周边的 DNA 呈近来(幻灯片缺少:Cell)

并不相同混合物当中突变不等的精心设计结果(幻灯片缺少:Cell)

RNA是致使真核子脂质经常性混合物不稳定性的情况

如果胺基脂质内人满为患是核子样紧密化的主要倡导因素,那么这个新理论预言,即使RNA不受影响,胺基脂质内同位素的增大也可能会致使类核子样崛起。

为了检验这种某种往往,著者用白冰霉素(Ksg,一种典型的 RNA 译文启动抑制剂)解决问题微生物脂质,以将胺基脂质内升华为游离的脂质内亚单位和无脂质内的 mRNAs,增大胺基脂质内的同位素。

著者推断出新脂质与 Ksg 雏鸟 40 分钟后类核子体并没有扩大,大多数类核子体看起来更为加紧凑,脂质当中可辨别类核子体的数目贞着增大。

Ksg 解决问题致使类核子向彼此旋转与分拆。这种亚胺能界面交互作用变小,倡导类核子体和 RNA 彼此之间的转化。

而在利福平(Rif,一种广谱抗生素药物)解决问题后,RNA 合成停止,RNA抑制,核子质比率 (核子质覆盖面积除以脂质覆盖面积) 增大,核子质发生变大。这些试验当中 RNA 低流水平越极低,RNA 和 DNA 彼此之间的转化越好,核子样结构越紧密。

总之,DNA 和 RNA 彼此之间的敌视作用,致使了突变真核子脂质的经常性混合物不稳定性。

RNA/DNA 转化和类核子紧能量密度(幻灯片缺少:Cell)

致使真核子脂质经常性混合物不稳定性的因素

类核子脂质内(NAPs)和其他 DNA 混合脂质内(如RNA抑制脂质内)是与突变交互作用的因素之一。脂质内与阴金属离子 DNA 高分子的混合能局部偏离突变的静电势,通过弯转扭曲 DNA 增大 DNA 螺旋状长度,促使偏离类核子体的加速往往和网格体积。

极低金属离子准确度的真核子脂质也可能致使很低的混合物不稳定性。体外数据分析指出新,随着盐浓度的增大,DNA 相片彼此之间的净相互敌视增大。二价镁金属离子不仅可以重定向 DNA 上的电荷,还可以诱导 DNA 相片彼此之间的相互众多。

分子动力学精心设计指出新,大分子人满为患可以被视为短时间内增大混合物不稳定性。因此,胺基脂质内同位素的偏离、极低 RNA 低流水平与 RNA/DNA 转化度和类核子紧密往往增大相关。

在 CID 域的边境地区,极低RNA活性致使初中生 RNA 积累。这些 RNA 即便如此通过 RNA 转录与 DNA 混合,很难扩散。著者推测,为了尽量增大与这些混合 RNA 的接触,DNA 肽键通过松弛增大其边境地区处的局部能量密度,在边境地区两端产生比较大的 DNA 周边地区。

数据分析亮点:

微生物作为典型的模式生物,是数据分析得最为详尽的原核子生物体。它们的突变被加速成类核子,但对于突变加速和结构域的产生还没有完全解读。

本数据分析当中提出新了一种预见微生物当中类核子平均值网格不等的新方法。当脂质被视为单纯的半稀释高分子溶液时,真核子脂质体现为突变的经常性混合物。

经常性混合物不稳定性可能会致使突变压实和 DNA 能量密度一般而言,异质 DNA 能量密度与类核子内的脂质内能量密度呈近来,并推断出新 RNA 也可能会致使经常性的混合物不稳定性。该数据分析将突变压实和结构域产生与RNA和脂质内组织起来连系起来,对突变产生的机制有了更为熟悉的了解。

幻灯片缺少:Cell

原始出新处:

Yingjie XiangIvan V. SurovtsevYunjie Chang, et al. Interconnecting solvent quality, transcription, and chromosome folding in Escherichia coli. CellVol. 184Issue 14p3626–3642.e14.

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