大肠杆菌基因组三维结构的精细解析：活性与沉默基因的染色质组织新机制

这篇研究通过超高分辨率Micro-C技术首次揭示了大肠杆菌基因组的三维精细结构，发现了染色体发夹结构（CHINs）和发夹结构域（CHIDs）等新型功能单元。这些由组蛋白样蛋白H-NS/StpA介导的结构在水平转移基因（HTGs）沉默中起关键作用，而转录依赖的操纵子结构域（OPCIDs）则参与RNA聚合酶（RNAP）循环。该研究为原核生物染色质高级结构研究提供了10bp分辨率的范式突破。

　　

Elementary 3D organization of active and silenced E. coli genome

Main

细菌基因组的三维组织机制一直是生物学研究的核心挑战。传统Hi-C技术受限于500bp-1kb的分辨率，难以解析精细结构。本研究开发的增强型Micro-C染色体构象捕获技术首次实现10bp分辨率，在大肠杆菌中揭示了核体的基本空间结构元件。

Elementary features of the E. coli 3D genome

超高分辨率Micro-C图谱识别出三类特征性结构：

1. 操纵子大小的染色体互作域（OPCIDs）：呈现方形接触模式，与高转录操纵子精确共定位

2. 染色体发夹结构（CHINs）：垂直接触簇，长度中位数2kb

3. 染色体发夹结构域（CHIDs）：由多个CHINs组成的更大沉默区域

OPCIDs: transcription-driven structures

热休克实验证实σ³²操纵子激活后形成OPCIDs，而利福平处理导致其消失。OPCIDs最显著的特征是启动子（TSS）与终止子（TES）的高频接触，这种相互作用强度与转录水平呈正相关，暗示其可能促进RNA聚合酶（RNAP）的循环利用。

Organization of CHINs and CHIDs

染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）显示H-NS和StpA特异性结合CHINs的茎部区域，形成双峰分布。MukBEF在CHIN臂部富集，而Fis和DNA旋转酶则被排除在外。原位邻近连接实验（PLA）证实约50%细胞中存在CHIN空间构象。

CHINs and CHIDs are assembled on HTGs

生物信息学分析显示83%的CHINs与水平转移基因（HTGs）重叠，这些区域具有显著更高的AT含量。CHIDs则定位于HTGs簇，与重复元件区域共定位，印证了其在异源基因沉默中的功能。

H-NS is the top manager of CHINs

基因敲除实验表明：

• Δhns导致60% CHINs消失

• ΔhnsΔstpA双敲除引起CHINs完全解离

• 特异性竞争剂netropsin处理重现双敲除表型

  体外重建实验证实纯化H-NS可在含CHIN序列的质粒上自发组装发夹结构。

Disassembly of CHINs activates HTGs

转录组分析显示：

• Δhns使46% HTGs表达上调

• ΔhnsΔstpA导致90% HTGs激活

• CHIN相关基因在野生型中表达水平比非CHIN基因低15倍

  RT-qPCR验证ygeH等基因在双敲除株中表达上调达150倍，伴随CHID向OPCID的转化。

CHINs are superhelicity independent

bleomycin处理解除DNA超螺旋后，CHINs结构保持完整；而ciprofloxacin和novobiocin抑制旋转酶活性同样不影响CHINs，表明其组装不依赖超螺旋结构。

Discussion

该研究建立了原核生物基因组三维组织的新范式：

1. 转录机器驱动OPCIDs形成，可能通过TSS-TES接触提高转录效率

2. H-NS/StpA介导的CHINs网络既沉默HTGs，又通过环化隔离活性操纵子

3. CHINs间的互作可能促进HTGs重组，为细菌进化提供结构基础

   这项10bp分辨率的研究为理解原核染色质结构与功能关系提供了全新视角。