Archaeal histone-based chromatin forms extended polymeric structures in vivo

在每个活细胞的深处，被称为DNA的长链遗传物质必须被紧密包装以节省空间，同时又要保持足够的开放性以便被读取和复制。在像人类这样复杂的生命体中，这种包装是由一套精密的蛋白质系统管理的，这些蛋白质将DNA缠绕在轴心上，形成一种被称为染色质的结构。这套系统如此复杂，以至于它包含了特殊的标签和重塑机器，可以收紧或放松这些轴心，从而控制哪些基因处于活跃状态。然而，这个系统的起源故事要简单得多。在复杂生命进化之前，存在着被称为古菌的古代单细胞生物。许多这类生物也使用蛋白质来包裹它们的DNA，但它们的工具箱要基础得多。它们缺乏人类身上那种复杂的标签和机器，而是依靠一组能够自主结合到DNA上的极简蛋白质。了解这些古老生物如何组织其遗传代码，为我们提供了一个观察生命进化最早阶段的窗口，揭示了我们自身复杂DNA包装系统的最初版本可能是如何运作的。

几十年来，科学家们一直在试管中研究这些古老的蛋白质，将它们与DNA混合，以观察它们会形成什么样的结构。在这些受控的环境中，蛋白质和DNA会自发地缠绕在一起，形成长而重复的链状结构，看起来就像一个灵活的弹簧。但一个关键问题仍然存在：这种整齐的、类弹簧的结构在活细胞内是否真的存在，还是仅仅是实验室中的一种人工产物？为了回答这个问题，研究人员将注意力转向了Thermococcus kodakarensis，这是一种能产生大量此类DNA缠绕蛋白的嗜热古菌。通过在瞬间冻结活细胞以保留其自然状态，然后利用强大的电子显微镜观察其内部，该团队得以以前所未有的清晰度窥见细胞内部。他们发现，细胞的遗传物质并不会保持一种固定的形状。相反，它会根据细胞生长情况的不同而发生剧烈变化。当细胞年轻且快速繁殖时，它们的DNA在细胞内呈弥散状松散分布，看起来像一团弥漫的云。但随着细胞变老并停止生长，这团云会发生转化。DNA会凝聚成紧密的螺旋状丝状结构，这与在试管中观察到的弹簧状结构相吻合，证明了这些古老生物确实可以在没有人类那种复杂机器帮助的情况下，构建出复杂且有序的DNA结构。

研究人员通过在营养丰富的环境中培养这些古菌，并观察它们从快速生长期向生长停止的停滞期过渡的过程，来观察这些变化。在年轻、活跃的细胞中，遗传物质分布均匀，这表明DNA缠绕蛋白虽然存在，但并未将DNA组织成紧密的束状。然而，随着培养物的老化和营养变得匮乏，细胞经历了显著的转变。在较老的细胞内部，研究小组发现了穿过细胞质的清晰的线状结构。这些不是随机的团块，而是呈规则螺旋状旋转的有组织的丝状物。通过测量这些结构，科学家们确认它们的尺寸和形状完全符合预期，即在试管实验中观察到的缠绕在古老蛋白质上的长链DNA。这些丝状物既表现为单根细丝，也表现为紧密排列的丝状束，这表明细胞可以在需要时将其整个基因组组织成这些紧密的、类弹簧的线圈。

为了确定这些丝状物确实是由DNA缠绕蛋白构成的，而非其他细胞成分，团队研究了一种具有蛋白质合成指令突变的特殊变异株。这种突变株仍能产生这些蛋白质，但其形状的一个微小变化阻止了它们连接成长链。当研究人员检查这些突变细胞时，长而类弹簧的丝状物完全消失了。相反，即使在细胞变老和饥饿时，DNA仍保持在一种无序的状态。这一关键实验证明，形成这些长而有序结构的能力完全取决于这些蛋白质连接在一起的具体方式。它证实了在正常细胞中看到的丝状物并非偶然形成的现象，而是蛋白质执行其设计功能的直接结果：将DNA缠绕成长而连续的线圈。

这项研究还揭示了第二个意想不到的惊喜。在较老的细胞中，除了类弹簧的丝状物外，研究人员还发现了散布在细胞各处的巨大、圆形、致密的斑块。这些球状结构紧密地包裹着遗传物质，看起来完全是另一种组织DNA的方式。与长而有序的弹簧不同，这些斑块看起来像是混乱的、凝聚的团块。研究人员使用一种结合了光学显微镜与电子显微镜的技术，证实了这些斑块确实富含DNA。它们仅在细胞进入生长后期时出现，这表明细胞可能会将这种球状形式作为对压力或饥饿的反应。虽然这些斑块的具体功能仍在研究中，但它们的存在表明，这种古老的细胞拥有多种管理其遗传物质的策略，能够根据其需求在弥散的云、有序的弹簧以及致密的球状质量之间进行切换。

这项工作的最重要发现之一是，这些剧烈的DNA组织变化是在没有任何复杂化学开关的情况下发生的。在人类细胞中，改变染色质的形状通常需要一系列酶来添加或移除蛋白质上的化学标签，或者需要机器来物理移动DNA。然而，这些古老的古菌缺乏这些复杂的工具。研究人员发现，尽管DNA结构发生了彻底改变，但细胞内DNA缠绕蛋白的数量在整个生长周期内保持相对稳定。这意味着细胞不需要产生更多蛋白质或对其进行化学修饰来切换这些不同的形式。相反，这种变化似乎是由细胞衰老过程中的内部环境驱动的，使得蛋白质能够自发地将DNA重新组织成这些不同的形状。这一发现表明，动态重构遗传物质的能力是一种古老的特性，它在现代生命出现的复杂调节系统之前就已经进化出来了。

这些发现的影响可以追溯到复杂生命的起源。这些简单的蛋白质能够自发地形成长而有序的DNA链，并能在没有外部帮助的情况下将其重新组织成不同的结构，这为真核生物进化的第一步可能如何发生提供了一个合理的蓝图。它表明，DNA包装的基本机制是多功能的，并且能够独立表现出复杂的行为。从弥散的云到紧密的弹簧，再到致密的球体，这种转变表明，即使是最简单的生命形式也有着管理其遗传信息的复杂方式。随着科学家继续探索这些古老的生物，特别是那些与复杂生命祖先密切相关的类群，他们可能会发现更多关于从简单单细胞生物向今天存在的各种复杂生命形式转变的关键环节。这项研究证实，有序的、螺旋状的DNA包装结构不仅是实验室中的奇观，更是这些古老细胞中真实的、活着的特征，为我们窥见生命本身的根本机制提供了窗口。