被困在活细胞中细菌如何调节基因来保护自己

首次在活细胞中展示了大肠杆菌如何调节基因以帮助其在新环境中生存。生物化学家FatemaZahraRashid使用她精心调整的技术成功地做到了这一点。她对3维染色体结构变化的研究为对抗病原体的方法提供了线索，并于11月17日发表在《自然通讯》上。

细菌是对人类健康和福祉的常见威胁。虽然有些已知会导致严重的食物中毒，但另一些可能会导致危及生命的组织感染，例如人的肺部。在所有情况下，为了有效地完成“任务”，细菌需要通过适应环境来生存的机制。

细菌及其染色体

令人着迷的是，通常被认为很简单的单细胞生物竟然能够如此出色地适应恶劣的环境。如果我们找到方法，我们也许能够阻止它们这样做，从而抵抗病原体。

细菌的染色体在细胞中自由漂浮，但为了适应而被强烈压缩。如果你能放大染色体的一部分，你会看到DNA紧密或松散地折叠，到处都有弯曲和环，将一段DNA与更远的一段DNA连接起来。所有种类的蛋白质都会处理这个问题。通过结合或未结合，它们调节哪些基因是可接近的并且可以被读取，从而充当制造蛋白质的模板。

几十年来，生物化学家和遗传学家一直在研究基因调控如何发挥作用。FatemaZahraRashid成为其中一员大约有10年了：首先是一名硕士生，然后是一名博士生。学生，现在是博士后。

“我的研究重点是大肠杆菌中的特定DNA片段：ProVWX或ProU操纵子。我们知道这是一组与防止渗透压休克有关的基因。”当环境突然比细菌内部液体的盐度高得多或低得多时，就会发生渗透压休克。然后，内部的盐含量也会发生变化，如果无法适应，就会导致细胞过程故障，甚至死亡。

蛋白质用两只手将DNA片段结合在一起

在这种渗透压冲击下，上述ProU操纵子中的DNA突然被大量读取。在装有DNA片段的试管中，这已被证明与许多细菌中发现的调节蛋白H-NS有关。拉希德的小组负责人、分子和细胞生物化学教授RemusDame博士展示了这一成果。他说，学生们正在了解这种蛋白质如何用两只“手”抓住DNA的两个部分并形成一个环。

“我们认为，在渗透压休克时，这些小手会释放，使DNA可供读取，并形成保护细胞的特定蛋白质系统。当细胞中恢复平衡时，这些小手会再次抓住DNA，转录停止。”

细胞的快照

达姆的同事拉希德现在已经在活细菌中证明了这确实是它的工作原理。她让活细菌受到渗透压冲击。“过了一会儿，我添加了固定剂，使所有蛋白质和DNA都‘冻结’。在某种程度上，这是在拍摄细胞的快照。”

拉希德从这些固定的细胞中提取DNA并将其切成小块。如果操纵子处于循环中，则起始部分和结束部分会粘在一起。如果不是，则开始部分和结束部分相距更远。她可以衡量这一点。她还能够根据ProU的基因确定更多的保护系统是在渗透压休克时产生的。她通常每周与她的主管RemusDame交谈一次。“大约两年前，当我第一次看到这些结果时，我没有等到每周的咨询，”她微笑着说。

短期内还不会出现基于DNA调控的病原体治疗方法。尽管如此，一个里程碑还是存在的。

Dame说：“这些调节机制在真核生物(具有细胞核的生物体)中已经被研究了更长时间。我们现在看到它们在原核生物中也高度发达。一些博士生现在正在使用这种方法来看看是否当环境突然变得非常酸性时(例如在胃中)，细菌也会发生同样的情况。当温度发生变化时，例如当细菌从环境转移到宿主时，也会发生同样的情况。”