上海科技大學孫博團隊揭示ParB蛋白隨機多聚化調控DNA組裝機制_風聞

​      三元 ParABS 系統介導多種細菌的染色體分離。二聚體 ParB 被提議在 parS 位點上成核並擴散到相鄰的 DNA。然而，如何正確分佈的 ParB 二聚體進一步將染色體 DNA 壓縮成更高階的核蛋白複合物以進行分配仍然知之甚少。2022年7月29日，上海科技大學孫博團隊在Nucleic Acids Research （IF=19）在線發表題為“Stochastically multimerized ParB orchestrates DNA assembly as unveiled by single-molecule analysis ”的研究論文，該研究使用單分子方法，表明數十個枯草芽孢桿菌 ParB (Spo0J) 蛋白可以隨機多聚化並穩定結合非特異性 DNA。CTP 的引入促進了多聚 ParB 沿 DNA 的形成和擴散，為 ParB 蛋白進一步聚集和成簇提供了機會。有趣的是，ParB 多聚體可以識別 parS 基序，並且更傾向於在它們上保持不動。重要的是，ParB 多聚體具有獨特的能力，不僅可以橋接兩個獨立的 DNA 分子，還可以介導它們的運輸，這兩者都因 DNA 中 CTP 或 parS 的存在而增強。這些發現為自多聚化和 DNA 組織中的 ParB 動力學提供了新的啓示，並有助於更好地理解 ParB-DNA 分區複合物的組裝。

在細胞分裂過程中，忠實的染色體分離可確保將親本遺傳信息的完整副本遺傳給每個子細胞。在許多細菌物種中，染色體分離依賴於三元 ParABS 系統，該系統由一個 ATP 酶蛋白 ParA、一個 DNA 結合蛋白 ParB 和一個類似着絲粒的迴文 DNA 序列組成，稱為 parS 位點。在典型的 ParABS 系統中，ParB 蛋白首先識別並特異性結合 parS 位點簇，然後與 parS 側翼區域結合。與 DNA 結合的 ParB 蛋白將染色體 DNA 濃縮成一個大的高級核蛋白複合物，並促進形成組織不良的 DNA 環網絡。這種類似動粒的結構，也稱為分區複合體，作為一個功能組件，可以招募 P 環 ATP 酶 ParA。通過刺激 ParA 的 ATP 酶活性而產生的與核素相關的 ParA-ATP 二聚體的梯度提供了將分區複合物以及姐妹複製子移動到細胞另一側的驅動力。除了染色體分離之外，ParB 有時還具有額外的物種特異性功能。例如，在枯草芽孢桿菌中，ParB (Spo0J) 促進染色體結構維持 (SMC) 複合物的募集，並有助於起點定位；在 Caulobacter 中，ParB 與 MipZ 形成複合物並共同調節細胞分裂。因此，ParB 起着多方面的作用，ParB-DNA 複合物對於 DNA 分子的識別、組織、複製和分配至關重要。

ParB蛋白在DNA上的隨機多聚化和穩定結合（圖源自Nucleic Acids Research ）分區複合物的組裝始於 ParB 二聚體在 parS 位點上成核，然後與相鄰的 DNA 結合，這一過程稱為“擴散”。最近，一系列研究揭示了 ParB 傳播的一個新因素：CTP。ParB 和 ParB 樣蛋白是可以結合和水解 CTP 的 CTP 酶。在存在 CTP 的情況下，ParB 二聚體形成鉗狀結構，並在鉗的中心環繞雙鏈 (ds) DNA。parS 位點上與 CTP 結合的 ParB 二聚體削弱了其與 DNA 的結合，使它們能夠從該位點解離並擴散到相鄰的低親和力 DNA。除了在染色體 DNA 上加載和擴散 ParB 二聚體，更高階 ParB-DNA 複合物的形成需要多個 ParB 二聚體聚結成納米級的凝聚物，這在體內實驗中很明顯，這驅動 DNA 共聚縮合。由於 ParB 的細胞內濃度不足以在 DNA 上生長出大量的細絲，因此提出了 ParB 介導的 DNA 環化來解釋 ParB 和 DNA 的共縮合。在該模型中，長達 10-20 kb 的長距離 DNA 通過 ParB-ParB 和 ParB-DNA 相互作用形成環，從而將 DNA 濃縮成鬆散緊湊的結構。為了支持這種循環模型，單分子實驗提供了一些體外證據來顯示 ParB 的 DNA 橋接和凝聚活性，它表現出對 parS 和 CTP 的依賴性。最近，提出了一種成核和封閉模型，以更好地解釋 parS 位點如何充當成核中心，允許 ParB 簇將染色體 DNA 限制在受限的空間中。然而，儘管進行了廣泛的研究，對以 parS 位點為中心的數百個 ParB 二聚體如何有效地組裝形成用於染色體 DNA 組織和壓實的凝聚物的知識仍然有限。

ParB 多聚體在分區複雜組裝中起作用的模型（圖源自Nucleic Acids Research ）枯草芽孢桿菌基因編碼一個名為 Spo0J 的 ParB 同源物，它在孢子形成過程中介導染色體分離。在體內，Spo0J 蛋白組裝成與染色體的 oriC 區域共定位，並與 Soj（枯草芽孢桿菌中的 ParA 同源物）一起有助於及時分離複製的起點。值得注意的是，除了與分散在 oriC 區域周圍的八個 parS 位點特異性結合外，二聚體形式的 Spo0J 還與數千個鹼基的非特異性 DNA 側翼 parS 位點結合。因此，Spo0J 可作為理解 ParB-DNA 複合物動態組裝的模型系統。在本研究中，通過將光鑷與共聚焦熒光顯微鏡相結合，在單分子水平上檢測了 Spo0J（以下簡稱 ParB）在 DNA 上的動態結合和解離。該研究發現數十個 ParB 蛋白可以隨機地多聚化和關閉非特異性 DNA。在存在 CTP 的情況下，ParB 多聚體以 0.1-0.4 kb2/s 的係數積極地沿着 DNA 擴散，但優先在 parS 位點上保持不動。碰撞後，兩個 ParB 多聚體有機會融合為一個。引人注目的是，ParB 多聚體與 ParB 二聚體的區別在於其獨特的橋接兩個 DNA 分子並改變其相對位置的能力。這些發現表明 ParB 多聚體不僅組織染色體 DNA，而且還提供了一種將二聚體 ParB 濃縮成染色體斑的方法，可能作為分區複合物組裝中的功能中間體。參考消息：https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkac651/6651868來源於：iNature