在棕櫚樹(shù)，人類和一些單細(xì)胞微生物的細(xì)胞中，DNA以相同的方式彎曲。現(xiàn)在，通過(guò)研究被稱為Archaea的微生物中與DNA結(jié)合的蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，科羅拉多大學(xué)博爾德分校和霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所(HHMI)的研究人員在更復(fù)雜的生物體中發(fā)現(xiàn)了令人驚訝的相似性。

科羅拉多大學(xué)博爾德分?；瘜W(xué)與生物化學(xué)教授，HHMI調(diào)查員卡羅琳·魯格說(shuō)：“如果你看看細(xì)節(jié)，那就完全相同了。”“這讓我大吃一驚。”

今天在“科學(xué)”雜志上描述的古菌DNA折疊暗示了基因組折疊的進(jìn)化起源，這是一個(gè)涉及彎曲DNA的過(guò)程，一個(gè)在所有真核生物中都非常保守的過(guò)程(具有由膜包圍的確定核的生物)。

像Eukarya和Bacteria一樣，Arachaea代表了生命的三個(gè)領(lǐng)域之一。但古細(xì)菌被認(rèn)為包括最接近古代祖先的親戚，這首先是關(guān)于折疊DNA的想法。

科學(xué)家們?cè)缇椭溃姓婧松镏械募?xì)胞，從魚(yú)到樹(shù)，再到人，都以完全相同的方式包裝DNA。DNA鏈纏繞在由八種組蛋白組成的“冰球”上，形成所謂的核小體。核小體在DNA鏈上串在一起，形成“串上的珠子”結(jié)構(gòu)。這種基因項(xiàng)鏈的普遍保護(hù)提出了它的起源問(wèn)題。

研究報(bào)告的共同作者，俄亥俄州立大學(xué)的微生物學(xué)家John Reeve說(shuō)，如果所有的真核生物都具有相同的DNA彎曲方式，那么“它必須在一個(gè)共同的祖先中進(jìn)化”。“但那個(gè)祖先是什么，是一個(gè)沒(méi)人問(wèn)的問(wèn)題。”

Reeve的早期工作已經(jīng)在古細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了組蛋白。但是，古細(xì)菌是原核生物(沒(méi)有確定的細(xì)胞核的微生物)，因此尚不清楚那些組蛋白蛋白質(zhì)在做什么。通過(guò)檢查含有與古菌組蛋白結(jié)合的DNA的晶體的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，這項(xiàng)新研究揭示了DNA包裝的確切作用。

Luger和她的同事們想在Methanothermus fervidus中制造組蛋白-DNA復(fù)合物的晶體，這是一種熱愛(ài)古菌的物種。然后，他們想用X射線轟擊晶體。這種稱為X射線晶體學(xué)的技術(shù)可以準(zhǔn)確地提供有關(guān)所研究分子中每種氨基酸和核苷酸位置的信息。但是生長(zhǎng)晶體很棘手(組蛋白會(huì)堅(jiān)持任何給定的DNA片段，很難創(chuàng)建一致的組蛋白DNA結(jié)構(gòu))，并且理解他們可以獲得的數(shù)據(jù)并非易事。

“這是一個(gè)非常粗糙的晶體學(xué)問(wèn)題，”盧格說(shuō)。

然而，Luger和她的同事堅(jiān)持不懈。研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管使用單一類型的組蛋白(而不是真核生物中的四種)，古細(xì)菌以非常熟悉的方式折疊DNA，產(chǎn)生與真核細(xì)胞核中發(fā)現(xiàn)的相同的彎曲。

但也有差異。古細(xì)菌DNA代替串上的單個(gè)珠子形成長(zhǎng)的超螺旋，即已經(jīng)扭曲的DNA鏈的單個(gè)大曲線。

“在古生物中，你只有一個(gè)積木，”盧格說(shuō)。“沒(méi)有什么可以阻止的。它幾乎就像它是一個(gè)連續(xù)的核小體，真的。”

事實(shí)證明，這種超級(jí)螺旋形成很重要。當(dāng)CU博爾德博士后研究員Francesca Mattiroli與科羅拉多州立大學(xué)的Thomas Santangelo實(shí)驗(yàn)室一起創(chuàng)造了干擾這種結(jié)構(gòu)的突變，細(xì)胞在壓力條件下生長(zhǎng)困難。更重要的是，細(xì)胞似乎沒(méi)有正確使用一組基因。

“這些突變很明顯，它們不能形成這些延伸，”馬蒂羅利說(shuō)。

結(jié)果表明，古菌DNA折疊是真核核小體的早期原型。

“我不認(rèn)為這是祖先的懷疑，”里夫說(shuō)。

盡管如此，仍有許多問(wèn)題。Luger說(shuō)她想尋找缺失的環(huán)節(jié) - 一種核小體樣結(jié)構(gòu)，它彌合了簡(jiǎn)單的古菌褶皺和真核生物中發(fā)現(xiàn)的精細(xì)核小體之間的差距，這種核小體可以將大量的DNA包裝到一個(gè)狹小的空間中并調(diào)節(jié)基因行為在很多方面。

“我們?cè)趺磸倪@里到那里?”她問(wèn)。