《Nature | 转录-复制相互作用揭示了细菌基因组调控》

  • 来源专题:战略生物资源
  • 编译者: 李康音
  • 发布时间:2024-01-29
  • 2024年1月24日,纽约大学格罗斯曼医学院等机构的研究人员在杂志Nature上发表了题为Transcription–replication interactions reveal bacterial genome regulation的文章。

    生物体通过几种在整个基因组中重复出现的调控模式来确定数千个基因的转录率。在细菌中,基因的调控结构与其表达之间的关系对于单个模型基因回路是很清楚的。然而,在基因组尺度上缺乏对这些动态的更广泛视角,部分原因是细菌转录组学迄今为止只捕获了数百万个细胞平均表达的静态快照。因此,基因表达动力学的全部多样性及其与调控结构的关系仍然未知。

    该研究提出了一种新的全基因组调节模式分类,该分类基于每个基因对其自身复制的转录反应,研究人员称之为转录-复制相互作用谱(TRIP)。通过分析单细菌RNA测序数据,研究人员发现对染色体复制普遍扰动的反应将生物调控因子与染色体上的生物物理分子事件相结合,揭示了基因的局部调控背景。虽然许多基因的 TRIP 符合基因剂量依赖性模式,但其他基因以不同的方式分化,这是由操纵子内位置和抑制状态等因素决定的。通过揭示基因表达异质性的潜在机制驱动因素,这项工作为模拟复制依赖性表达动力学提供了一个定量的生物物理框架。

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    • 2024年1月3日,荷兰格罗宁根大学医学中心傅静远教授团队在Nature杂志以长文形式发表了题为Host genetic regulation of human gut microbial structural variation的研究论文。 基于来自4个荷兰人群队列的9015个参与者的个体基因组和肠道微生物宏基因组数据,研究者进行了人类单核苷酸变异和肠道微生物基因组结构变异之间的大规模关联分析。随后发现,在分泌以 N-乙酰半乳糖胺(N-acetylgalactosamine,GalNAc)为末端的A血型抗原的个体中,肠道中的普拉梭菌(Faecalibacterium prausnitzii)更容易携带含有GalNAc代谢基因簇的基因组片段,这一特征是由人类 ABO 和 FUT2 基因型共同决定的。体外培养表明,只有携带 GalNAc代谢基因簇的普拉梭菌菌株,才可以在GalNAc作为唯一碳源的培养基中生长。有趣的是,在分离培养的一株普拉梭菌菌株中,含有GalNAc代谢基因簇的基因组片段发生了翻转,并导致该菌株失去GalNAc利用能力。研究者进一步假设,先前发现的与ABO基因型存在关联的肠道细菌也可能被同样的机制所影响。通过同源基因搜索及体外培养实验,发现铜绿假丝酵母菌(Collinsella aerofaciens)也拥有完整的GalNAc代谢通路,并可以在GalNAc作为唯一碳源的培养基中生长。 研究团队进一步在整个肠道微生物群落中对GalNAc代谢基因进行定量分析,并将参与者根据ABO 和 FUT2 基因型分为有/无肠黏液游离A抗原两组,发现在肠黏液中存在游离A抗原的参与者肠道中,微生物GalNAc代谢基因丰度与肠道微生态多样性呈较强正相关。而在肠黏液中没有游离A抗原的参与者肠道中,该关联则相对较弱。并且,在肠黏液中存在游离A抗原的参与者中,微生物GalNAc代谢基因丰度与健康指数、体重指数、血糖、血脂等指标也存在较强关联,而这些关联在肠黏液中没有游离A抗原的参与者中则不存在,或者关联较弱。这一发现提示,肠道微生物与宿主健康的关联也同时受到宿主遗传背景的调控,同时也为个体化的靶向菌群干预提供了重要参考。 综上所述,通过大规模关联分析,该研究揭示了人类“第一”和“第二”基因组之间的调节关系,为人体-共生微生物互作机制提供了重要的理论补充,并强调了微生物遗传多样性为主导的微生物组研究范式的可靠性。
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    • 2024年3月6日,纽约大学的研究人员在Nature发表题为Synthetic reversed sequences reveal default genomic states的文章。 这篇论文研究了在不同物种中广泛存在的转录活动,以及这些基因组活动是选择效应还是“噪音”的结果。为了理解广泛的转录活动是否具有生物学意义,研究人员在酿酒酵母和小鼠的基因组中引入了一个合成的101 kb基因座,并对基因组活动进行了表征。该基因座是通过将人类HPRT1序列反向插入,包括其侧翼区域,从而保留了自然序列的基本特征,但消除了进化过程中形成的编码或调控信息。 研究人员观察到在酵母中,反向插入和原始HPRT1基因座都表现出广泛的活性,尽管缺乏进化形成的酵母启动子。相比之下,在小鼠胚胎干细胞中,反向插入基因座完全没有活性,而且显示出抑制性染色质标记。去除CpG二核苷酸的变异型基因座缓解了抑制性标记,然而,这种变异型基因座也是转录不活跃的。这些结果显示,缺乏编码信息的合成基因组序列在酵母中是活跃的,但在小鼠胚胎干细胞中是不活跃的。这与这两种不同的真核细胞类型之间的“默认基因组状态”存在重大差异,对于理解广泛的转录、基因信息的水平传递以及新基因的诞生具有重要意义。