2024年11月16日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心李轩研究组在国际学术期刊Communications Biology在线发表了题为“In vivo assembly of complete eukaryotic nucleosomes and (H3-H4)-only non-canonical nucleosomal particles in the model bacterium Escherichia coli”的研究论文。该研究首次在细菌中成功组装了H3+H4八聚体复合物的非典型核小体，揭示了这一多聚体可能是真核核小体进化过程中的一个中间结构(称为“古核小体”)，为重现真核核小体的起源与演化过程提供了关键的实验证据。

核小体是真核生物染色质的基本结构单位，由四种组蛋白（H2A、H2B、H3和H4）组成的八聚体被147个碱基的双链DNA环绕形成--称为核心核小体。组蛋白H1结合在相邻核小体之间的DNA上，作为连接分子参与真核染色体高阶结构的形成。尽管认为真核组蛋白起源于古菌组蛋白，但真核核小体的多聚体结构只存在于真核生物中。古菌组蛋白与DNA结合形成与真核生物复杂的核小体完全不同的结构。为探究真核生物起源过程中，从古菌组蛋白到真核核小体的演化路径，我们在模式细菌大肠杆菌中构建了真核核小体的组装系统，首次成功重构了完全核小体(H2A-H2B-H3-H4)₂+H1，同时首次组装了由H3-H4八聚体形成的特殊核小体。这种复合体代表了核小体进化过程中的一个中间状态结构，被称之为“古核小体”。

2024年9月27日，Nature Communications报道了李轩研究组首次构建具有真核核小体的大肠杆菌的研究工作（https://www.nature.com/articles/s41467-024-52484-2）。在这项工作的基础上，研究人员通过对核心核小体四个组蛋白做减法，发现在只有H3和H4两种组蛋白存在时，形成一种不同的核小体结构，通过MNase切割保护实验，研究人员发现该核小体结构能够产生70 bp和130 bp的DNA条带。通过与文献报道的结果对比，研究人员确定70 bp条带由H3-H4四聚体产生，130-bp条带由H3-H4八聚体非典型核小体的保护产生。激光共聚焦显微镜观察发现，这些核小体结构能够压缩大肠杆菌拟核中的染色体DNA，并与大肠杆菌染色体DNA共定位。进一步实验发现，在组蛋白H2A、H2B存在的情况下，H3-H4八聚体的“古核小体”消失，形成由H2A-H2B-H3-H4组成的经典八聚体的核小体结构。鉴于H3和H4组蛋白与古菌组蛋白的相似性，及其在真核细胞发生过程中的早期出现，推断由H3-H4八聚体的“古核小体“是真核核小体演化过程的一种中间状态结构。另外，研究人员还通过引入H1组蛋白,在大肠杆菌中进一步组装出完全真核核小体。电镜实验显示，完全核小体可以在核心核小体的基础上进一步压缩大肠杆菌的拟核基因组DNA，在MNase酶切保护实验中，则产生了更大的165 bp保护DNA条带。

综上，该项研究在模式细菌大肠杆菌中成功构建了完全真核小体以及非典型H3-H4八聚体的“古核小体”。这些核小体结构不仅能够与基因组DNA共定位，还能够压缩拟核中的基因组DNA。H3-H4八聚体古核小体的成功组装，重现了核小体进化的中间状态结构，对于理解核小体的起源和真核生物发生过程具有重要的意义。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心周小娟博士、张牛冰博士为论文共同第一作者，李轩研究员、荆新云副研究员和赵国屏研究员为论文共同通讯作者。华东理工大学叶帮策教授为此研究提供指导和帮助。该研究工作获得了国家自然科学基金和中国科学院先导科技专项的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s42003-024-07211-4

图1  经典核小体（H2A-H2B-H3-H4八聚体）与“古核小体”（H3-H4八聚体）组装的平衡模型

图2 H3-H4四聚体和八聚体复合物能够产生70 bp和130 bp的MNase酶切保护条带，能够压缩大肠杆菌拟合，并与DNA共定位