DNA有一个棘手的问题。含有它的细胞的数千次,如此,Ts,Gs和Cs的这种复杂的链必须将其自身折叠成紧凑的封装。但薄的双螺旋分子不能以任何方式堵塞自己,以免充满恐怖打结。更重要的是,该细胞需要某些基因特定基因的细分 - 以仍然可以对蛋白质制造机械接近,同时保持别人藏起来并关闭。这就像用缠结的纱线打俄罗斯。

含有核的“真核”细胞,在人,植物和动物中发现的类型,依赖于化学标签和专门化蛋白质之间的复杂相互作用,以提供关于什么基因开启和何时的指示一个称为表观遗传学的系统。对于几十年来,科学家认为表观遗传调节对真核细胞是独一无二的,并且缺乏更简单的细菌。但是一系列新发现挑战了这个想法。

“细菌是比任何人意识到的更复杂的方式,”圣巴巴拉大学的微生物学家大卫·洛伯科医师大卫说。

密歇根大学生物化学师Ursula Jakob和Peter Freddolino的新研究表明,DNA结合蛋白质与古代分子之间的相互作用有助于在广泛的规模上切换细菌的基因。这些发现不仅会告诉科学家更多关于这种有机物的基础生物学,而且他们还可以帮助研究人员进行微调的生物技术 - 甚至有助于新的抗生素。

“细菌正在围绕自己的毁灭的种子,我们可能能够去除保留[那些种子]的抑制,”Freddolino说。

已知真核细胞已知使用多层调节,控制哪种基因是活性的,并且每一个给定的蛋白质是多少。另一方面,细菌DNA通常在教科书中被描绘为一片长的惰性串,等待被转录。这个想法在1994年开始解开,当低发现称为甲基的化学标签可以阻断细菌中的转录 - 科学家们认为是真核细胞的异教徒。

多年来出现了更多相似之处。例如,真核细胞附着化学标签和蛋白质称为组蛋白以隐藏基因组的部分。去年Freddolino的实验室表明,细菌使用类似的策略:研究人员确定了200个地区在里面大肠杆菌使用称为核相关蛋白的化学标签和结构沉默的基因组(抽头)。

最近的一项研究禁止杂志,Freddolino表明,在遥远相关的物种中,小睡与细菌基因组的静态特异性部分类似大肠杆菌枯草芽孢杆菌。午睡用作周围的支架,其中一部分DNA被包裹,使得细胞的蛋白质制备机械对该部分的基因进行了物理上不可能。这种效果对于细菌来说至关重要:它允许它们密封在外部DNA和病毒中的片段,这些病毒已经楔入细菌基因组,并且当不需要时,它们才能偏离很少使用基因。

然而,小睡不行。要确定哪些触发器,关闭DNA的部分,Freddolino和Jakob将注意力转向多磷酸盐。该分子用于地球早期寿命的能量储存,并在细胞中发展了各种功能。在2020年杰布发现了突变体大肠杆菌无法合成多磷酸盐显示出从细胞外吸收的基因中的更多活性 - 该活动在来自DNA损伤的细胞死亡中起着关键作用。

最近,在科学推进,jakob和freddolino表明,使用称为液相 - 液相分离的方法,带负电荷的多磷酸盐与带正电的插管,其中ultradense蛋白基团凝结成微小的液滴。随着越来越多的多磷酸盐附着于小磷酸盐中,组织了多磷酸盐,抽头和DNA的正常散震结构。正如甚至均匀的油滴一样,甚至均匀混合的醋栗,蛋白质,DNA和多磷酸盐的液滴可以在细菌细胞中凝结 - 并且这阻断了来自转录的基因组的部分。该方法不需要额外的辅助蛋白,并且当多磷酸水平下降时,它可以逆转。

这些研究是理解细菌外观遗传学的重大步骤,说莱顿大学生物化学师雷姆斯·雷姆斯(Remus Dame)表示,他们没有参与任何一项研究。“有充分的理由相信,这些基因被嵌入的全球结构决定了它们的活跃程度,”他说。“这真的是非常新的 - 非常热 - 这意味着我们必须在我们的兴趣体系中看起来不同。”

Freddolino表示,当他的生物技术聚焦的同事首先了解了这些结果时,他们开始使用这种知识来沿着优化蛋白质产生的细菌基因组将工程基因插入斑点。他说,这一过程从“穿越你的手指和希望最好”到几乎每次工作的声音策略。

在马萨诸塞州理工学院,生物化学师彼得德顿正在调查科学家如何使用这些机制制作新的抗生素。从他的实验室(世界各地的其他人)表明细菌切换基因上和关闭,以帮助感染宿主 - 并抵抗抗生素。Degon设想一种可能干扰该过程的小分子,并保持细菌的感染促进特性或抗生素抗性基因关闭;另一种选择是破坏多磷酸盐的结合水分的能力。这不会杀死细菌,但它会使它们能够引起疾病,更容易受到免疫系统攻击。“那里有很大的潜力,”德顿说。“有一个全新的抗生素目标。”

杰布说,细菌表观遗传学是抗生素发育的一个很好的重点,因为它的机制在许多细菌种群中共用 - 但使用基本不同的蛋白质而不是真核细胞。这意味着研究人员可以专门针对细菌蛋白,避免干扰身体自己的表观遗传过程,Jakob说:“这是一种防止疾病而不需要杀死细胞的方法。”