向华研究组在古菌基因组复制起始领域取得新进展

  • 韩梅
  • 创建于 2015-09-29
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基因组复制是生命得以存在和延续的最重要和最基本的遗传过程。与细菌染色体通常只有一个复制起点不同,真核生物和许多古菌的染色体均具有多个复制起始位点。这些复制起始元件可能具有不同的活性以适应体内外环境的变化,如在真核生物中普遍存在休眠状态的复制起始位点,如何解析这些休眠复制起点的激活机制及其生理功能是该领域研究的难点和热点。

中国科学院大学博士生导师、中科院微生物研究所向华研究组前期的生物信息与遗传学分析已表明,染色体多复制起点是嗜盐古菌中普遍存在的现象(BMC Genomics.2012,13: 478),因此是研究多位点复制起始调节机制的重要模型。其后国际上对古菌多复制起点进行了系统的敲除实验分析。在这些工作中,2013年英国学者在Nature 2013,503:544发表的论文工作最引人注目。因为该论文工作发现,在沃氏富盐菌中,染色体所有已知有活性的多个复制起点可以被同时敲除,甚至敲除株比野生型还长得更快些。该论文作者大胆推测嗜盐古菌可以不依赖细胞生命普遍采用的复制起点,而可能采用同源重组策略高效起始基因组的复制。但这一假说与稍后在其它古菌研究中所得的结论并不相符,其中代表性的工作包括向华研究组在西班牙盐盒菌的研究(Nucleic Acids Research, 201442: 2282),以及丹麦与英国学者在冰岛硫化叶菌中的工作,二者均证明古菌染色体复制至少需要一个复制起始位点。因此英国学者在沃氏富盐菌中观察到的其活性复制起点可同时敲除的现象,是真的采用了全新的复制起始机制,还是有休眠复制起点被激活而没有观测到,成为学界关注的焦点(参见Bioessays, 2014, 36585)

向华研究组近期在地中海富盐菌(沃氏富盐菌同属且染色体高度同源)多复制起始位点功能的系统研究,则为古菌存在休眠复制起点并可被激活的假说提供了第一个实验证据。采用高密度基因芯片分析技术对地中海富盐菌全生长周期染色体上多复制起点活性进行系统监测,发现该菌染色体具有且只有3个活跃的复制起始位点。这3个复制起点的活性虽有差异,但在生长过程中被协同调控。有意思的是,与沃氏富盐菌一样,这3个复制起始位点可以被同时敲除。但精细的基因组复制起点监测分析表明,随着这些复制起点的逐一敲除,一个休眠的复制起始位点oriC4被激活,并且其激活的程度是与敲除的其它起始位点的个数呈负相关(图1A)。当原来的3个复制起始位点被同时敲除后,被激活的oriC4成为其染色体复制所必需的起始元件和唯一的复制起始位点,可负责介导整个染色体的正常复制。更重要的是,根据该休眠复制起点的特点,我们成功预测了沃氏富盐菌中可能存在的休眠复制起始位点。当把沃氏富盐菌中的该休眠复制起点整合到地中海富盐菌的染色体上后,它不仅可以被激活,而且可以作为唯一的复制起始位点介导整个染色体的复制起始(图1B)。相关休眠复制起点的发现和功能验证为质疑2013Nature论文的假说和重申复制起点作为基因组复制起始的必需元件提供了实验证据。这是在古菌域中首次实验证明休眠复制起始位点存在及其激活现象,不仅为研究染色体多位点复制起始的调控机制提供了新的切入点,还为包括真核生物在内的复制起点的沉黙与激活机制的研究提供了重要的研究模型

该论文近期发表在Nature communications, 2015,6:8321上,博士生杨海波为第一作者,向华研究员为通讯作者。

论文链接:http://www.nature.com/ncomms/2015/150916/ncomms9321/full/ncomms9321.html

                           图1 地中海富盐菌中休眠复制起始位点激活(A)和沃氏富盐菌中休眠复制起始位点功能分析(B)