細(xì)菌DNA遭受壓縮時(shí)仍保持它的基因表達(dá)

細(xì)菌引起許多嚴(yán)重疾病，如食物中毒和肺炎?？茖W(xué)家們面臨的挑戰(zhàn)是，引起疾病的細(xì)菌是非常有彈性的。比如，當(dāng)諸如大腸桿菌之類的細(xì)菌經(jīng)歷饑餓時(shí)，它們會(huì)大規(guī)模地重新組裝它們的DNA，從而使得它們能夠在應(yīng)激條件下存活下來。 為了實(shí)現(xiàn)這一壯舉及提高存活機(jī)會(huì)，大腸桿菌菌株顯著增加一種被稱作Dps的蛋白的數(shù)量。這種蛋白將細(xì)菌DNA壓縮成致密的水晶狀復(fù)合物并保護(hù)其免受損傷。雖然之前的研究已表明Dps保護(hù)細(xì)菌免受饑餓和其他的應(yīng)激因素，但是科學(xué)家們并不知道這種特殊的蛋白是如何發(fā)揮作用的。

在一項(xiàng)新的研究中，來自荷蘭卡夫利納米科學(xué)研究所、格羅寧根大學(xué)、代爾夫特理工大學(xué)、美國羅徹斯特大學(xué)和俄亥俄州立大學(xué)的研究人員描述了Dps有助細(xì)菌在應(yīng)激條件下存活下來的一些獨(dú)特的特征。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2018年8月23日的Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Global DNA Compaction in Stationary-Phase Bacteria Does Not Affect Transcription”。論文通信作者為羅徹斯特大學(xué)生物學(xué)副教授Anne Meyer、夫利納米科學(xué)研究所的Elio Abbondanzieri和Nynke Dekker。

植物和動(dòng)物等高等生物中的細(xì)胞不含有Dps。然而，它們也會(huì)做類似的事情。當(dāng)它們不需要基因組的某些片段時(shí)，它們會(huì)包裹這些片段并進(jìn)行壓縮。這種壓縮能夠有助讓DNA免受損傷，這是因?yàn)檫@會(huì)將DNA與細(xì)胞質(zhì)的其他部分隔離開來。每當(dāng)DNA在高等生物中遭受壓縮時(shí)，處于壓縮的基因組片段中的基因就更不可能表達(dá)。這些研究人員原本認(rèn)為當(dāng)細(xì)菌DNA被Dps壓縮時(shí)，他們會(huì)在細(xì)菌（一種低等生物）中觀察到同樣的效果。

但是，實(shí)際上，這些研究人員觀察到令人吃驚的結(jié)果：盡管Dps確實(shí)會(huì)壓縮細(xì)菌DNA，但是這種壓縮并不對基因表達(dá)產(chǎn)生任何影響。當(dāng)遭受應(yīng)激時(shí)，不論DNA是否被Dps壓縮，作為一種對基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的酶，RNA聚合酶（RNAP）能夠結(jié)合到DNA上，仍然能夠表達(dá)基因。大腸桿菌是他們觀察到的盡管DNA遭受強(qiáng)烈的壓縮但是基因表達(dá)沒有發(fā)生變化的首個(gè)細(xì)菌。

問題來了，如果不論細(xì)菌DNA是否遭受壓縮，基因表達(dá)都得以保持，那么Dps的主要作用到底是什么呢？

這些研究人員觀察到盡管RNA聚合酶仍然能夠完全接觸到遭受Dps壓縮的DNA，但是其他的能夠切割和破壞DNA的蛋白被完全阻斷。因此，他們猜測Dps壓縮細(xì)菌DNA的目的可能是保護(hù)它免受破壞或突變，同時(shí)仍然允許細(xì)菌表達(dá)有助于其抵抗應(yīng)激條件的基因。

如果是這種情形的話，那么當(dāng)Dps結(jié)合到DNA上時(shí)，它的保護(hù)作用會(huì)因局部作用得到進(jìn)一步強(qiáng)化。比如，Dps能夠中和鐵，即一種對DNA造成廣泛破壞的元素。理解Dps的作用可能有助于人們開發(fā)出具有更強(qiáng)靶向性的抗生素和其他的藥物療法。