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研究背景
随着全球气候变化的加剧，极端温度对生物体的生存构成了严重威胁。特别是对于微生物而言，高温环境下的生存和适应成为了一个重要的科学问题。大肠杆菌作为模式生物，在工业生产和医疗卫生领域具有广泛应用，因此，研究其染色体在热胁迫条件下的空间组织与适应性变化，对于理解微生物的逆境生存机制具有重要意义。此外，深入探究大肠杆菌如何在高温环境中调整其染色体的三维结构，以维持正常的生理功能，不仅有助于揭示微生物的分子适应机制，还能为抗热性微生物的选育和工业发酵条件的优化提供理论支持。
细胞中的染色体需要高度压缩才能适应细胞内部狭小的空间，同时还要保证其进行复制和转录等生命活动。细菌的染色体则以拟核的形式存在，缺乏真核生物中核膜的保护。近年来，随着染色质构象捕获 (3C) 技术的发展，人们开始探究细菌拟核的空间组织结构。大肠杆菌作为模式生物，其拟核空间组织结构已经得到了初步的研究，发现存在多个宏结构域 (macrodomain) 和染色体相互作用结构域 (CID)。此外，拟核相关蛋白 (NAP) 在拟核空间组织中也发挥着重要作用。然而，细菌染色体如何响应环境压力，如高温胁迫，仍然是一个未解之谜。
近日，华中农业大学信息学院马彬广教授团队在Microorganisms 期刊发表了一篇关于热胁迫条件下大肠杆菌细胞染色体的空间组织与适应性变化的文章。研究发现，在高温环境下，大肠杆菌的染色体三维结构发生了显著变化，这些变化与基因表达模式的转变密切相关，为理解微生物在逆境中的分子适应机制提供了新的视角。
研究过程与结果
马彬广教授团队采用染色体构象捕获技术 (3C) 结合高通量测序，对大肠杆菌在正常温度 (37 ℃) 和高温 (45 ℃) 条件下的染色体空间结构进行了系统研究。通过构建三维结构模型，并结合转录组数据分析，揭示了高温胁迫下大肠杆菌染色体的动态变化。
研究人员首先利用 3C-seq 技术构建了正常温度和高温胁迫下大肠杆菌染色体的三维结构模型，并基于模型提出了全局紧密度 (Global Compactness, GC) 和局部紧密度 (Local Compactness, LC) 两个指标来量化染色体结构的紧凑程度。结果表明，与正常温度相比，高温胁迫下大肠杆菌染色体的GC值更高，表明其结构更加紧凑。同时，LC值在不同染色体区域呈现不同的变化趋势，Ter宏结构域及其相邻区域的LC值在高温胁迫下显著升高，而Ori宏结构域及其相邻区域的LC值则有所下降。进一步分析发现，高温胁迫下大肠杆菌染色体的短程相互作用频率降低，而Ter宏结构域的长程相互作用频率升高。此外，基因表达水平与染色体的短程相互作用频率呈正相关，而与LC值呈负相关。这些结果表明，热胁迫导致大肠杆菌染色体结构发生改变，进而影响基因的表达水平。
图1. 不同生长条件下大肠杆菌染色体的三维结构特征。
图1展示了在不同生长条件下大肠杆菌染色体的3D结构特征。可以明显看出，在高温条件下，染色体的全局紧凑度 (GC) 增加，表明染色体整体变得更加紧密。同时，局部紧凑度 (LC) 在不同染色体区域呈现出不同的变化趋势，特别是在Ter宏结构域，其LC显著降低，暗示了长程交互的增加。这些结构上的变化与转录水平的变化密切相关，表明染色体结构的重塑可能是大肠杆菌适应高温环境的一种策略。
图2. 不同生长条件下大肠杆菌拟核形态的比较。
图2则进一步证实了高温环境下大肠杆菌拟核形态的变化。与正常温度相比，高温条件下大肠杆菌的核宽度显著减小，而长度则有所增加。这一变化可能反映了细胞在高温环境下的形态适应，但与染色体三维结构的调整没有简单的对应关系。
为了探究NAP在染色体结构变化中的作用，研究人员还分析了关键 NAPs (HU, Fis, CbpA, H-NS, StpA) 在不同条件下的表达水平。结果表明，高温胁迫下Fis和StpA的表达水平升高，而CbpA和HU的表达水平下降，这与染色体的短程相互作用频率降低的趋势相符。
研究总结
马彬广教授团队的研究首次系统揭示了热胁迫条件下大肠杆菌染色体的空间组织与适应性变化。研究结果表明，高温环境不仅影响大肠杆菌的染色体结构，还进一步调控了其基因表达模式。研究发现，高温胁迫导致大肠杆菌染色体结构更加紧凑，短程相互作用频率降低，而Ter宏结构域的长程相互作用频率升高。这些结构变化与基因表达水平的变化密切相关，表明染色体结构在响应环境压力中发挥着重要作用。此外，NAP在染色体结构变化中发挥着关键作用，其表达水平的改变可能通过影响染色体结构进而影响其他基因的表达水平。本研究提出的GC和LC两个指标为量化染色体三维结构提供了新的工具，为未来研究细菌染色体的空间组织与功能提供了新的视角。这些发现不仅增进了我们对微生物逆境适应机制的理解，也为相关领域的研究提供了新的思路和方法。展望未来，该团队将继续深入研究微生物在复杂环境中的分子适应机制，为微生物工程、生物技术等领域的应用提供理论基础。
原文信息
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Wang, X.-T.; Ma, B.-G. Spatial Chromosome Organization and Adaptation of Escherichia coli under Heat Stress. Microorganisms 2024, 12, 1229.
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