圖2、活性縱子上的轉(zhuǎn)錄驅(qū)動(dòng)OPCIDs以及抑制基因組區(qū)域中轉(zhuǎn)錄非依賴性CHIN和CHID。a）基于Red-C信號(hào)的按轉(zhuǎn)錄活性分組的縱子的平均接觸圖。b）CHIN、CHID、OPCID、非活性縱子（Red-C信號(hào)為零）和活性縱子（Red-C信號(hào)排名前10%）周圍的轉(zhuǎn)錄水平。c）指定基因組特征內(nèi)的轉(zhuǎn)錄水平，按特征長(zhǎng)度歸一化。d）在正常和HS條件下存在熱休克（HS）縱子clpX-lon的區(qū)域的接觸圖。e）正常和HS條件下σ32個(gè)縱子的平均接觸圖。f）示意圖說明了在HS條件下轉(zhuǎn)錄激活時(shí)縱子組裝到OPCID中的過程。g）按Red-C信號(hào)分為非轉(zhuǎn)錄（零Red-C信號(hào)）、低轉(zhuǎn)錄（底部50%不包括零）、中度轉(zhuǎn)錄（50-90%）和高度轉(zhuǎn)錄（前10%）的縱子的啟動(dòng)子-終止子接觸頻率。h)縱子轉(zhuǎn)錄水平與啟動(dòng)子-終止子接觸頻率之間的相關(guān)性。黑線表示線性回歸，陰影區(qū)域表示95%CI。i)含有OPCID和CHIN的兩個(gè)代表性區(qū)域的接觸圖，顯示了用25μg ml-1或750μg ml-1 Rif處理前后的接觸圖。j)暴露于低濃度（25μg ml?1）或高濃度（750μg ml?1）的Rif前后OPCID、CHIN和CHID的平均接觸圖，說明了轉(zhuǎn)錄抑制對(duì)這些基因組結(jié)構(gòu)的影響。
圖3、由H-NS和其他國(guó)家行動(dòng)方案指導(dǎo)的CHIN和CHID的組織情況。a）帶有NAP分布、GC含量、轉(zhuǎn)錄信號(hào)和縱子軌跡剖面圖示例。b）H-NS在CHIN、CHID、OPCID、非活性縱子和活性縱子周圍的分布。c）來自PRODORIC數(shù)據(jù)庫(kù)的H-NS基序（左）以及由HOMER鑒定的CHIN基序（右）。d）描述單個(gè)CHIN組織的模型，顯示了CHIN長(zhǎng)度分布。e）一個(gè)模型，說明兩個(gè)CHIN之間的相互作用，它們展開并融合形成一個(gè)大環(huán)的莖。f）H-NS在CHIN莖區(qū)域的定位，在CHIN莖處顯示峰值。g）與H-NS峰重疊的CHIN數(shù)量。h）與CHIN重疊的HTG數(shù)量。i–r，WT E中兩個(gè)具有代表性的CHIN藏匿區(qū)域的接觸圖。大腸桿菌細(xì)胞（i）和指定基因缺失的菌株（j-n）或用抗生素處理的WT細(xì)胞（o-r）中的相同區(qū)域，說明了Δhns細(xì)胞中的CHIN重組和ΔhnsΔstpA和netropsin處理的細(xì)胞中的CHIN完全分解。
圖4，HTG在H-NS和雙hns stpA敲除上的激活。a-d）通過RNA測(cè)序確定的hns和stpA缺失（a），暴露于200μg ml?1 netropsin（b），hns缺失（c）和stpA缺失（d）后的基因表達(dá)變化。e）WT大腸桿菌細(xì)胞中與CHINs重疊的基因和與CHINs不重疊的基因的表達(dá)水平（綠色）與Δhns（藍(lán)色）、ΔstpA（白色）和ΔhnsΔstpA（紅色）中相同基因組的表達(dá)水平的比較。f）CHIN相關(guān)基因和CHIN非相關(guān)基因響應(yīng)Δhns、ΔstpA和ΔhnsΔstpA的表達(dá)變化。g，h)與面板e(cuò)和f類似，但特別關(guān)注HTG。指示基因數(shù)（n）。j)Micro-C接觸圖表示，這些區(qū)域含有HTG的區(qū)域，在WT、ΔstpA、Δhns和ΔhnsΔstpA細(xì)胞中選擇用于RT-qPCR分析。k)使用Bioscreen測(cè)量的WT、ΔstpA、Δhns和ΔhnsΔstpA大腸桿菌細(xì)胞的生長(zhǎng)速率。
圖5，Micro-C在大腸桿菌基因組中捕獲的基本和高階結(jié)構(gòu)。a）來自WT大腸桿菌細(xì)胞的接觸圖示例，顯示各種接觸模式。b）不同接觸模式的解釋。c）OPCID和CHIN網(wǎng)絡(luò)，0可以通過使啟動(dòng)子（TSS）和終止子（TES）靠近（i和ii）來促進(jìn)RNAP回收。它們還可以建立活性縱子的空間絕緣（ii），實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)處HTG之間的重組（iii）并促進(jìn)HTG沉默（iv）。
總結(jié)
本研究通過開發(fā)超高分辨率（10 bp）的Micro-C染色體構(gòu)象捕獲技術(shù)，首次揭示了大腸桿菌（E.coli）基因組的三維（3D）精細(xì)結(jié)構(gòu)，包括染色體發(fā)夾（CHINs）和染色體發(fā)夾域（CHIDs）等基本空間單元。這些結(jié)構(gòu)由組蛋白樣蛋白H-NS和StpA組織，在抑制水平轉(zhuǎn)移基因（HTGs）中發(fā)揮關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)，H-NS缺失會(huì)導(dǎo)致3D基因組重組并減弱CHINs/CHIDs，而H-NS/StpA雙敲除則完全破壞這些結(jié)構(gòu)，伴隨HTGs的轉(zhuǎn)錄激活和生長(zhǎng)延遲。此外，轉(zhuǎn)錄活躍的基因形成操作子大小的染色體互作域（OPCIDs），其結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)錄活性直接相關(guān)，表現(xiàn)為Micro-C圖譜中的方形接觸模式。研究揭示了大腸桿菌核樣體的基本結(jié)構(gòu)元素，強(qiáng)調(diào)了它們與核樣體相關(guān)蛋白和轉(zhuǎn)錄機(jī)制的聯(lián)系。這些發(fā)現(xiàn)不僅增進(jìn)了對(duì)細(xì)菌基因組三維組織的理解，還為研究基因表達(dá)和基因組穩(wěn)定性提供了新的視角。通過揭示CHINs和CHIDs在基因沉默中的作用，以及OPCIDs在轉(zhuǎn)錄中的作用。
Bioscreen C全自動(dòng)微生物生長(zhǎng)曲線分析儀在本研究中作為表型監(jiān)測(cè)核心工具，通過標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化培養(yǎng)監(jiān)測(cè)，為3D基因組結(jié)構(gòu)的生物學(xué)功能（如H-NS介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控）提供了關(guān)鍵生長(zhǎng)表型數(shù)據(jù)。其應(yīng)用貫穿突變體驗(yàn)證、藥物處理及環(huán)境應(yīng)激實(shí)驗(yàn)，是連接分子機(jī)制與宏觀表型的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。本研究為未來的研究提供了新的方向，特別是在探索細(xì)菌如何通過三維基因組結(jié)構(gòu)來調(diào)控基因表達(dá)和進(jìn)化方面。提出細(xì)菌基因組3D組織的“二元模型”——活躍（OPCIDs）與沉默（CHINs/CHIDs）結(jié)構(gòu)并存，為理解抗生素（如netropsin）靶向NAPs的機(jī)制提供新視角。
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