Nucleic Acids Res | 上海科技大学孙博团队揭示ParB蛋白随机多聚化调控DNA组装机制

三元 ParABS 系统介导多种细菌的染色体分离。二聚体 ParB 被提议在 parS 位点上成核并扩散到相邻的 DNA。然而，如何正确分布的 ParB 二聚体进一步将染色体 DNA 压缩成更高阶的核蛋白复合物以进行分配仍然知之甚少。

2022年7月29日，上海科技大学孙博团队在Nucleic Acids Research （IF=19）在线发表题为“Stochastically multimerized ParB orchestrates DNA assembly as unveiled by single-molecule analysis ”的研究论文，该研究使用单分子方法，表明数十个枯草芽孢杆菌 ParB (Spo0J) 蛋白可以随机多聚化并稳定结合非特异性 DNA。CTP 的引入促进了多聚 ParB 沿 DNA 的形成和扩散，为 ParB 蛋白进一步聚集和成簇提供了机会。

有趣的是，ParB 多聚体可以识别 parS 基序，并且更倾向于在它们上保持不动。重要的是，ParB 多聚体具有独特的能力，不仅可以桥接两个独立的 DNA 分子，还可以介导它们的运输，这两者都因 DNA 中 CTP 或 parS 的存在而增强。这些发现为自多聚化和 DNA 组织中的 ParB 动力学提供了新的启示，并有助于更好地理解 ParB-DNA 分区复合物的组装。

在细胞分裂过程中，忠实的染色体分离可确保将亲本遗传信息的完整副本遗传给每个子细胞。在许多细菌物种中，染色体分离依赖于三元 ParABS 系统，该系统由一个 ATP 酶蛋白 ParA、一个 DNA 结合蛋白 ParB 和一个类似着丝粒的回文 DNA 序列组成，称为 parS 位点。在典型的 ParABS 系统中，ParB 蛋白首先识别并特异性结合 parS 位点簇，然后与 parS 侧翼区域结合。与 DNA 结合的 ParB 蛋白将染色体 DNA 浓缩成一个大的高级核蛋白复合物，并促进形成组织不良的 DNA 环网络。这种类似动粒的结构，也称为分区复合体，作为一个功能组件，可以招募 P 环 ATP 酶 ParA。

通过刺激 ParA 的 ATP 酶活性而产生的与核素相关的 ParA-ATP 二聚体的梯度提供了将分区复合物以及姐妹复制子移动到细胞另一侧的驱动力。除了染色体分离之外，ParB 有时还具有额外的物种特异性功能。例如，在枯草芽孢杆菌中，ParB (Spo0J) 促进染色体结构维持 (SMC) 复合物的募集，并有助于起点定位；在 Caulobacter 中，ParB 与 MipZ 形成复合物并共同调节细胞分裂。因此，ParB 起着多方面的作用，ParB-DNA 复合物对于 DNA 分子的识别、组织、复制和分配至关重要。

分区复合物的组装始于 ParB 二聚体在 parS 位点上成核，然后与相邻的 DNA 结合，这一过程称为“扩散”。最近，一系列研究揭示了 ParB 传播的一个新因素：CTP。ParB 和 ParB 样蛋白是可以结合和水解 CTP 的 CTP 酶。在存在 CTP 的情况下，ParB 二聚体形成钳状结构，并在钳的中心环绕双链 (ds) DNA。parS 位点上与 CTP 结合的 ParB 二聚体削弱了其与 DNA 的结合，使它们能够从该位点解离并扩散到相邻的低亲和力 DNA。

除了在染色体 DNA 上加载和扩散 ParB 二聚体，更高阶 ParB-DNA 复合物的形成需要多个 ParB 二聚体聚结成纳米级的凝聚物，这在体内实验中很明显，这驱动 DNA 共聚缩合。由于 ParB 的细胞内浓度不足以在 DNA 上生长出大量的细丝，因此提出了 ParB 介导的 DNA 环化来解释 ParB 和 DNA 的共缩合。在该模型中，长达 10-20 kb 的长距离 DNA 通过 ParB-ParB 和 ParB-DNA 相互作用形成环，从而将 DNA 浓缩成松散紧凑的结构。

为了支持这种循环模型，单分子实验提供了一些体外证据来显示 ParB 的 DNA 桥接和凝聚活性，它表现出对 parS 和 CTP 的依赖性。最近，提出了一种成核和封闭模型，以更好地解释 parS 位点如何充当成核中心，允许 ParB 簇将染色体 DNA 限制在受限的空间中。然而，尽管进行了广泛的研究，对以 parS 位点为中心的数百个 ParB 二聚体如何有效地组装形成用于染色体 DNA 组织和压实的凝聚物的知识仍然有限。

枯草芽孢杆菌基因编码一个名为 Spo0J 的 ParB 同源物，它在孢子形成过程中介导染色体分离。在体内，Spo0J 蛋白组装成与染色体的 oriC 区域共定位，并与 Soj（枯草芽孢杆菌中的 ParA 同源物）一起有助于及时分离复制的起点。值得注意的是，除了与分散在 oriC 区域周围的八个 parS 位点特异性结合外，二聚体形式的 Spo0J 还与数千个碱基的非特异性 DNA 侧翼 parS 位点结合。因此，Spo0J 可作为理解 ParB-DNA 复合物动态组装的模型系统。

在本研究中，通过将光镊与共聚焦荧光显微镜相结合，在单分子水平上检测了 Spo0J（以下简称 ParB）在 DNA 上的动态结合和解离。该研究发现数十个 ParB 蛋白可以随机地多聚化和关闭非特异性 DNA。在存在 CTP 的情况下，ParB 多聚体以 0.1-0.4 kb2/s 的系数积极地沿着 DNA 扩散，但优先在 parS 位点上保持不动。碰撞后，两个 ParB 多聚体有机会融合为一个。引人注目的是，ParB 多聚体与 ParB 二聚体的区别在于其独特的桥接两个 DNA 分子并改变其相对位置的能力。这些发现表明 ParB 多聚体不仅组织染色体 DNA，而且还提供了一种将二聚体 ParB 浓缩成染色体斑的方法，可能作为分区复合物组装中的功能中间体。

该论文中，孙博课题组2020级博士生郭丽娟及2021级博士生赵艺琳为共同第一作者，孙博教授为通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。

参考消息：https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkac651/6651868

转自： iNature

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