四聚体细菌组蛋白对DNA的缠绕机制及其在染色质组织中的进化意义

《Nature Communications》：DNA Wrapping by a tetrameric bacterial histone

本研究针对细菌中组蛋白同源物的功能多样性问题，开展了对钩端螺旋体组蛋白HLp的DNA结合机制研究。通过晶体结构解析、生物物理分析及分子动力学模拟，发现HLp以四聚体形式非特异性结合并缠绕约60 bp DNA，异源表达实验证实其可重塑大肠杆菌核质结构。该工作揭示了细菌组蛋白介导染色质组织的新范式，为理解组蛋白在生命进化中的功能分化提供了关键证据。

　　

在生命的三域系统中，DNA的精准包装是维持基因组稳定性和调控基因表达的基础。真核生物通过组蛋白八聚体将约147 bp的DNA缠绕形成核小体，而古菌的组蛋白二聚体则聚合形成延展的超核小体结构。长期以来，细菌被认为缺乏组蛋白同源物，但近年来在多种细菌谱系中陆续发现组蛋白样蛋白的存在，这重新引发了人们对原核生物染色质组织机制的思考。此前研究发现，捕食性细菌Bdellovibrio bacteriovorus的组蛋白HBb以二聚体形式结合并弯曲DNA，然而细菌组蛋白是否具有更复杂的组装形式和DNA结合机制仍不明确。

为解答这一问题，研究人员在《自然·通讯》发表论文，聚焦于钩端螺旋体Leptospira perolatii的组蛋白同源物HLp。通过多学科技术手段，首次揭示该蛋白以稳定的四聚体形式存在，并能非特异性结合DNA，将约60 bp的DNA缠绕于其核心结构。分子动力学模拟表明这种缠绕具有动态稳定性，体外DNA结合实验验证其结合特性，而在大肠杆菌中的异源表达实验则直接证明HLp可显著重塑细菌核质结构。这些发现不仅拓展了细菌组蛋白与DNA互作的形式谱系，更揭示了组蛋白介导的基因组组织机制在生命进化过程中的多样性。

关键技术方法包括：X射线晶体学解析HLp四聚体及其与DNA复合物的三维结构；生物物理分析（如微量热泳动、圆二色谱）表征蛋白稳定性与DNA结合特性；全原子分子动力学模拟研究DNA缠绕过程的动态稳定性；以及在大肠杆菌中的异源表达结合荧光显微镜观察核质重构效应。

研究结果方面，晶体结构分析显示HLp形成独特的四聚体结构，其亚基界面与真核生物组蛋白八聚体或古菌二聚体存在显著差异。DNA结合实验证实HLp对DNA序列无特异性偏好，但能通过静电相互作用与DNA骨架稳定结合。分子动力学模拟进一步揭示四聚体核心可诱导DNA发生约180°的弯曲，形成稳定的核蛋白复合物。功能验证实验中，将HLp基因导入大肠杆菌后发现细菌核质由弥散状态转变为致密凝聚体，证明其具有体内染色质重组功能。

研究结论强调，HLp代表了一类新型细菌组蛋白作用范式：以四聚体为功能单元，通过非特异性DNA缠绕实现染色质压缩。这与真核生物核小体、古菌超核小体以及已知的细菌组蛋白二聚体机制形成鲜明对比，揭示了组蛋白在进化过程中功能结构的可塑性。该研究为理解原核生物染色质组织提供了新模型，同时为生命三域中表观遗传机制的起源与演化研究开辟了新方向。