2024年9月27日，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Nature Communications在线发表了题为“Creating a bacterium that forms eukaryotic nucleosome core particles”的研究论文。这项研究首次成功构建了一个具有真核核小体的原核生命体-具有核小体的大肠杆菌；该研究同时揭示真核核小体与细菌遗传机器之间存在的兼容性为真核生物发生（eukaryogenesis）的细菌-古菌融合事件创造了条件。

核小体是真核生物的标志性结构。核小体的核心结构，是由四种组蛋白H2A、H2B、H3和H4组成的八聚体，被大约147个碱基的双螺旋DNA紧密缠绕而成。核小体是支持真核细胞基本功能（包括转录调控、DNA复制和修复、有丝分裂、表观遗传调控）的关键平台，支撑着真核生物的细胞周期、组织分化、个体发育、代谢调控、环境响应等重要功能。核小体复合物的形成和解离处于动态过程中，涉及多个中间状态和不同蛋白亚基的相互作用。

真核组蛋白被认为是起源于古细菌的DNA结合蛋白（又称古菌组蛋白），例如嗜热产甲烷古菌的HMfA和HMfB。尽管古菌组蛋白具有与真核组蛋白类似的蛋白折叠构架，但核小体的高级结构，即八聚体-DNA复合物只发现存在于真核生物中。对于真核核小体高级结构的起源和进化，及真核生物发生过程的细菌-古菌共生融合事件中，古菌组蛋白演化成真核核小体结构的过程，一直是科学界关注并亟待回答的重要问题。为了探索这些问题，李轩研究员团队采用合成生物学策略和模式细菌大肠杆菌，成功构建了具有真核核小体结构的原核生命体-具有核小体的大肠杆菌。

研究人员首先对大肠杆菌E. coli进行工程化改造，通过梯度表达爪蟾的4种组蛋白第一次在大肠杆菌活细胞内成功组装真核核小体。组装的核小体结构具有真核核小体的特征，并通过染色体DNA的MNase切割保护实验、核小体多聚体分离、原子力显微镜成像分析、三分体互作荧光蛋白等多个实验结果得到验证。研究人员设计实验进一步检测组蛋白表达量和细菌染色体上核小体组装水平的关系。通过不同浓度IPTG的诱导表达实验，发现大肠杆菌内核小体形成的数量与组蛋白表达量成正比关系。同时，对在大肠杆菌基因组上核小体的位置进行了MNase-seq测序实验分析。通过将MNase-seq测序数据映射到大肠杆菌基因组上，分析结果发现大肠杆菌基因组上核小体位点，在不同组蛋白表达水平间保持高度一致性，计算获得的核小体峰数量也基本保持不变，在~22,000个。

此研究的一个关键问题是：具有真核核小体的大肠杆菌能否长期存活和传代。预实验研究发现在1 μM IPTG条件下，在大肠杆菌中可以诱导中等组蛋白表达水平并形成稳定核小体结构。研究人员进一步开展了1 μM IPTG 条件下大肠杆菌培养传代和生理生化研究。结果发现，具有核小体的大肠杆菌在1 μM IPTG条件下可以稳定生长和传代至少110代。对不同培养世代的大肠杆菌研究分析发现大肠杆菌的组蛋白合成水平和核小体组装数量保持稳定。进一步将MNase-seq测序数据映射到大肠杆菌基因组上，发现大肠杆菌基因组核小体位置在传代过程中同样保持高度稳定。一个有意思的发现：在大肠杆菌基因转录区的核小体，形成与真核细胞基因转录区核小体相似的结构分布，即紧临转录起始位点（TSS）形成一个核小体空白区（NFR），在NFR上下游区域形成两个核小体结合的矩阵区域，核小体的定位相位随着远离NFR而逐渐减弱。研究人员对具有核小体的大肠杆菌进行了传代过程中的转录组和全基因组测序分析，发现基因表达基本保持稳定，有~70个差异表达基因（包括应激反应相关蛋白），但未检测出基因组的遗传变异。对其表型和生理研究发现，尽管具有核小体的大肠杆菌在细胞形态和生长速率上没有明显变化，其竞争生长和逆境适应能力有所下降。

综上，此研究成功在模式细菌大肠杆菌中实现了真核核小体的体内组装，并证明细菌染色体DNA和真核组蛋白组装的核小体，具有与真核细胞的核小体非常相似的特性。通过诱导中等水平的组蛋白表达，研究人员创造出了一株具有稳定核小体组装的大肠杆菌，该菌能在长期培养实验中保持生长和传代。构建具有核小体的大肠杆菌为研究真核核小体起源和进化提供了一个新的平台和独特机会，而真核核小体与细菌遗传机器之间兼容性的发现，对于理解核小体的起源和真核生物发生过程具有重要意义。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心荆新云副研究员、张牛冰博士、周小娟博士、陈萍博士、和博士研究生龚洁为论文共同第一作者，李轩研究员为通讯作者。分子植物科学卓越创新中心杨晟研究员、赵国屏研究员、中国科学院感染与免疫研究所郝沛研究员，华东理工大学叶邦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、国家重点研发计划、国家科技重大专项和中国科学院先导科技专项的支持。

论文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-024-52484-2

图1：具有真核核小体大肠杆菌的特征和完整细胞生活周期

图2：具有真核核小体结构大肠杆菌的长期存活和传代（1 µM IPTG）：在传代过程中核小体的形成保持稳定，并在大肠杆菌基因转录区形成与真核细胞基因转录区核小体相似的结构分布

图3：具有核小体大肠杆菌的细胞形态和生长竞争实验