2024年11月，中国科学院分子植物科学卓越创新中心李轩研究组在国际学术期刊Communications Biology在线发表了题为“In vivo assembly of complete eukaryotic nucleosomes and (H3-H4)-only non-canonical nucleosomal particles in the model bacterium Escherichia coli”的研究论文。这项研究首次实现了在细菌中组装真核生物特有的H3+H4八聚体非典型核小体结构，这一发现揭示了这种多聚体可能是真核核小体进化历程中的一个过渡形态，即所谓的“古核小体”，并为探索真核核小体的起源及演化提供了重要的实验依据。
核小体构成了真核生物染色质的基础单元，它是由147个碱基对的DNA缠绕在一个由H2A、H2B、H3和H4四种组蛋白组成的八聚体上构成的核心核小体。此外，组蛋白H1则位于相邻核小体间的DNA上，起到连接作用，参与形成更高层次的染色体结构。尽管真核组蛋白被认为源自于古菌组蛋白，但典型的真核核小体结构仅见于真核生物中。相比之下，古菌组蛋白与DNA结合形成的结构与真核生物的核小体显著不同。为了探讨从古菌组蛋白向真核核小体转变的进化路径，研究团队在模式细菌——大肠杆菌中构建了一个可以组装真核核小体的系统，不仅首次成功重组了完整的核小体结构（包括两个H2A-H2B二聚体和一个H3-H4四聚体），而且首次在细菌体内组装出了由H3-H4八聚体组成的独特核小体结构，即“古核小体”。
2024年9月27日，Nature Communications报道了李轩研究组首次构建具有真核核小体的大肠杆菌的研究工作。在这项工作的基础上，研究人员通过减少核心核小体中组蛋白的数量，特别是保留H3和H4组蛋白，研究人员观察到了不同于常规核小体的新结构。利用MNase酶切保护实验，他们发现了两种长度的DNA片段，分别是70 bp和130 bp，这表明了新型核小体的存在。进一步分析确认，70 bp片段由H3-H4四聚体产生，而130 bp片段则是由H3-H4八聚体构成的非典型核小体保护产生的。通过荧光显微镜检查，研究者们证实这些新型核小体能够压缩大肠杆菌拟核内的DNA，并与之共定位。当引入H2A和H2B组蛋白后，“古核小体”结构消失，形成了经典的由所有四种组蛋白组成的核小体。考虑到H3和H4组蛋白与古菌组蛋白的高度同源性及其在真核生物起源初期的出现，推测“古核小体”可能是真核核小体进化的一个重要中间阶段。此外，通过添加H1组蛋白，研究团队还在大肠杆菌中组装出了完整的真核核小体，电镜结果显示这些核小体能够进一步压缩拟核DNA，且在MNase酶切保护实验中观察到了约165 bp的更大DNA保护区段。
总而言之，这项研究不仅在模式细菌大肠杆菌中成功构建了完整真核核小体和非典型H3-H4八聚体“古核小体”，而且还证明了这些核小体结构能有效地与基因组DNA结合并压缩拟核DNA。特别地，H3-H4八聚体“古核小体”的成功组装，为理解核小体的起源及真核生物的演化提供了新的视角和证据。
中国科学院分子植物科学卓越创新中心周小娟博士、张牛冰博士为论文共同第一作者，李轩研究员、荆新云副研究员和赵国屏研究员为论文共同通讯作者。华东理工大学叶帮策教授为此研究提供指导和帮助。该研究工作获得了国家自然科学基金和中国科学院先导科技专项的支持。
图1 经典核小体（H2A-H2B-H3-H4八聚体）与“古核小体”（H3-H4八聚体）组装的平衡模型
图2 H3-H4四聚体和八聚体复合物能够产生70 bp和130 bp的MNase酶切保护条带，能够压缩大肠杆菌拟合，并与DNA共定位
