Cell ：首次鉴定古细菌的染色体组装方式——区室化的硫化叶菌染色体

来源：BioArt

古细菌是除细菌域，真核生物域之外的第三生物域。除部分种系外，古细菌主要分为广古菌门 (Euryarchaeota) 和泉古菌门 (Crenarchaeota) 。种系发生研究表明，生物进化首先造成细菌域分离，再进一步发展为古细菌和真核生物两域，因此古细菌的许多生理特点都与真核生物类似，主要体现在DNA相关的生理过程【1】。例如，古细菌的DNA结合组蛋白且有内含子，DNA复制和转录机器都与真核生物同源。但泉古菌门中的硫化叶菌属（Sulfolobus）却同时表现出与细菌和真核生物相似的特点：硫化叶菌有与细菌相似一个环状基因组；基因组具有三个复制起始位点，每个细胞周期只起始一次复制， DNA复制机器也与真核生物复制机器相似。并且，在分裂时，染色体分离系统同源于细菌的ParAB系统【2】，而细胞分裂则利用与真核同源的ESCRT装置【3】。因此硫化叶菌属激起了研究者广泛的兴趣。

基因组的组装与DNA的复制和表达都密切相关。染色体组装成大小不一的区域形成功能单位，例如真核生物中的TADs（topologically associating domains）和细菌中的CIDs（chromosomal interaction domain）【4】。古细菌的染色体组装一直是热点研究问题，是因为古细菌中参与染色体组装的蛋白多种多样。一般地，染色体的组装依赖于SMC（structural maintenance of chromosomes）蛋白家族的功能，SMC组成的复合体condensin在细菌，真核生物和大多数古生菌中介导染色体的组装和分离。Condensin的核心是两个SMC家族的ATP酶，它们一端形成铰链区介导相互作用，另一端水解ATP提供能量，中间coiled coil区域形成臂状结构。完整的复合体还需要两个kleisen亚基组成，帮助condensin捕获DNA【5】。但研究人员对硫化叶菌属的染色体组装机制的认识还停留在形态学阶段，并且泉古菌门不具有典型的组成condensin的SMC蛋白【6】，因此鉴定硫化叶菌属的染色体组装机制会加深对于染色体组装和广古菌门，泉古菌门与真核生物进化关系的认识。

2019年9月19日，美国印第安纳大学分子细胞生物化学系的Stephen Bell团队在Cell杂志发布了长文文章Physical and Functional Compartmentalization of Archaeal Chromosomes。文章鉴定了硫化叶菌属的染色体组装方式，并发现新型的SMC蛋白coalescin帮助染色体的组装，这也是首次报道古细菌的染色体组装方式。

首先，作者分析了G2期的Sulfolobus acidocaldarius和Sulfolobus islandicus染色体结构，发现其染色体组装呈现明显的分区，分为高表达基因区（A compartment）和低表达基因区（B compartment），三个复制起始位点均位于A compartment（图1A）。可见，Sulfolobus具有高度有序的基因组结构，但Sulfolobus不具有condensin型SMC蛋白，因此作者推测Sulfolobus表达其他替代的SMC蛋白。

作者进一步分析发现saci_0046（coalescin, Clsn）表达的蛋白属于SMC家族，并且同源基因仅存在于不表达condensin型SMC蛋白的物种中。Clsn表达含有Zinc Hook基序的coiled coil功能域，N端和C端表达被coiled coil分开的ABC-型ATP酶（图1B）。Clsn分子在每个细胞中大约有7万个，并且显著富集在基因组的B compartment（图1C）。

接着，作者又证明Clsn是生长必需蛋白，而过表达Clsn会导致细胞周期异常，显著抑制B compartment基因的表达。同时，使用放线菌素抑制全局转录过程会破坏染色体的组装，并影响Clsn在染色体上的分布，这表明Clsn与基因的转录活性互相影响。

最后，作者鉴定了Clsn参与调控的生理过程。Sulfolobus生长从指数期进入稳定期后，位于B compartment的部分基因开始活跃表达，并且Clsn在B compartment占据比例也显著下降，说明Clsn参与调控稳定期B compartment基因的表达（图1D）。此外，已有报道表明，进入稳定期的Sulfolobus染色质结构变得更松散【7】，表明Clsn与基因组的解离导致染色质结构的改变。

图1：Clsn参与Sulfolobus染色体的区域化组装进而调控基因表达。

综上，作者首次鉴定了Sulfolobus基因组组装成两个区室（A和B compartment），并且鉴定了新型的SMC蛋白Clsn富集在B compartment，促进B compartment内基因的折叠抑制基因的表达（图2）。在讨论中，作者鉴于泉古菌们和真核生物都具有高度有序的染色质结构，和明显的基因组复制和分离的时期划分，而广古菌门的基因组在细胞周期内多次复制，这和细菌类似，并且具有和细菌同源的SMC蛋白，所以认为真核生物与泉古菌门的亲缘关系更近。

图2：Sulfolobus基因组组装示意图。

本篇文章的通讯作者是印第安纳大学的Stephen Bell教授，第一作者为Naomichi Takemata，Rachel Y. Samson。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.08.036

参考文献

1.Maruyama H, Shin M, Oda T, et al. Histone and TK0471/TrmBL2 form a novel heterogeneous genome architecture in the hyperthermophilic archaeon Thermococcus kodakarensis [J]. Mol Biol Cell, 2011. 22(3): 386-398 

2.Kalliomaa-Sanford AK, Rodriguez-Castaneda FA, McLeod BN, et al. Chromosome segregation in Archaea mediated by a hybrid DNA partition machine [J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2012. 109(10): 3754-3759 

3.Lindas AC, Karlsson EA, Lindgren MT, et al. A unique cell division machinery in the Archaea [J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2008. 105(48): 18942-18946 

4.Rowley MJ,Corces VG. Organizational principles of 3D genome architecture [J]. Nat Rev Genet, 2018. 19(12): 789-800 

5.Hirano T. Condensin-Based Chromosome Organization from Bacteria to Vertebrates [J]. Cell, 2016. 164(5): 847-857 

6.Kamada K,Barilla D. Combing Chromosomal DNA Mediated by the SMC Complex: Structure and Mechanisms [J]. Bioessays, 2018. 40(2):  

7.Poplawski A,Bernander R. Nucleoid structure and distribution in thermophilic Archaea [J]. J Bacteriol, 1997. 179(24): 7625-7630