基因的拉扯與糾結－膜蛋白基因表現對染色體空間位置的影響
110年07月12日
【本篇報導由物理系 張宜仁副教授研究團隊提供】 對於可以快速成長、增加數量的原核生物來說，如何將體內的各種生物零件迅速複製，並進行正確的排置，以使得在進行分裂的當下，讓子代細胞都取得足以生存的能力，尤其是對於攜帶遺傳訊息的染色體，更是最不能有缺失的一個環節。但是，由於原核細胞沒有如同真核細胞的紡錘絲，細胞要如何將染色體拉扯開來，便是重要的課題。目前其中一種看法認為，在膜蛋白表現的過程中，由於轉錄轉譯可以在原核細胞內同時進行，若也可以同時將剛轉譯的肽鏈嵌入細胞膜的話，就能創造出向外拉扯的力量。為了驗證這種看法，我們採取單分子追蹤技術，記錄染色體上記載膜蛋白基因位置的運動，確認了這個現象確實有可能在原核細胞中發生。這項研究成果為基礎細胞生物學的疑問，增加了更明確的認知。 對於單細胞的原核生物來說，快速地增加族群數量，是其重要的生存策略。為了達成這項目標，細胞必須在有限的空間與資源下，盡快完成細胞內各種生物分子的製造與空間排列，讓細胞分裂可以順利進行。其中，又以染色體的複製和分離最為關鍵。對於大腸桿菌來說，既沒有細胞核做為隔間，也沒有類似紡錘絲的結構幫助拉扯，要如何達成染色體空間排列，依然令人費解。其中一個關鍵的轉嵌現象假說認為，在膜蛋白表現的過程當中，由於基因轉錄、轉譯與肽鏈嵌入細胞膜的過程可以同時進行，進而創造出可以將染色體連接到細胞膜的結構，產生將染色體向外拉扯的力量。為了提供證明，我們嘗試利用單分子螢光顯微術，藉由觀察位點運動，對這個假說進行驗證。 本研究中，我們選定可以藉由乳糖濃度控制表現量的乳糖穿透酶做為膜蛋白的樣本，並以去除乳糖穿透酶基因的菌株做為對照組，藉此比較在有無膜蛋白基因表現下，染色體空間運動的差異。為了觀察乳糖穿透酶所屬之乳糖代謝基因組染色體位點的運動行為，我們在其上下游鄰近位置進行螢光標記，如此一來，我們可以從兩個角度確認轉嵌假說的存在。首先，我們可以觀察目標基因位點在細胞內的位置，是否如轉嵌假說般，會受到基因表現產生影響。也可以藉由上下兩位點間的運動關連性變化，驗證有膜蛋白表現時，是否有額外的結構產生。實驗結果發現，確實在有乳糖穿透酶基因存在時，乳糖代謝基因組染色體位點會在基因表現時，空間上會更加接近細胞膜（圖一）。同時，上下游位點間運動的關連性也會相對下降，符合轉嵌假說中，膜蛋白表現會產生額外對細胞膜的錨定點，而干擾上下游位點的運動傳遞，如同一條懸著的彈簧，如果在中間進行拉扯，兩端的運動就不容易經由彈簧進行傳遞了。 經由本研究，我們首次從多種運動面向，驗證了轉嵌現象實際存在的可能性。並且藉由基因表現的位移情況與上下游位點間的運動干擾強度，說明轉嵌現象的力學強度。實驗證實，如果要經由轉嵌現象造成染色體大幅運動，不僅需要許多膜蛋白同時表現，也需要其他的染色體組織機制輔助。如果要完全詮釋大腸桿菌細胞內染色體組織細胞分裂的機制，我們仍需要尋找更多的可能因素，不過，藉由本研究，我們證實了利用我們所建立的觀察系統，足已有效針對目前其他研究方式無法達到的單基因組解析度，對染色體行為進行觀察，為此領域開拓了新的研究方式。 圖一：膜蛋白基因表現對於染色體位點的運動示意圖 原文出處：https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2019.09.026