细菌三维基因组热适应调控机理的系统生物学研究

3D genomics is a new direction in the field of life science research, which studies the three-dimensional structure of chromatin in a cell and its relationship with the regulation of gene expression. The application of chromatin conformation capture technique and super-resolution fluorescent microscopy has tremendously promoted the progress of 3D genomics. So far, the studies of eukaryotic 3D genomes are growing vigorously, but the studies of prokaryotic 3D genomes are just in its infancy. Traditional studies on the mechanisms of bacterial thermal adaptation mainly focused on the one-dimensional genomic features and on the regulation networks between genes, but the studies on the real genome structure in the cellular physical space is still lacking. Based on our previous project, this project aims at using the model organisms, Escherichia coli and Caulobacter crescentus, combining the high-throughput techniques of chromatin-interaction detection and super-resolution fluorescent microscopy, to study the thermal adaptation mechanisms for bacterial 3D genomes and its relationship with gene expression regulation. In the context of thermal adaptation, integrating the 3D genome structure information and gene expression level data will systematically reveal the molecular regulation mechanisms of thermal adaptation for prokaryotic genomes and contribute to the development of systems biology.

三维基因组学是生命科学研究领域的一个新方向，它研究染色质在细胞中的三维结构及其与基因表达调控之间的关系。染色质构象捕捉技术和超分辨率荧光显微技术的应用极大地促进了三维基因组学的发展。如今，真核生物三维基因组的研究正在如火如荼地进行，而原核生物三维基因组的研究则刚刚开始。传统的细菌热适应机理的研究主要集中在一维基因组特征和基因之间的二维调控网络上，尚缺少细胞物理空间中的真实基因组结构这一环节。本项目拟在我们上一个项目的基础上，以模式生物大肠杆菌和新月柄杆菌为材料，结合高通量染色质交互检测技术和超分辨率荧光显微技术，研究细菌三维基因组的热适应机制及其与基因表达调控之间的关系。在热适应的背景下，整合细菌的三维基因组结构信息和基因表达水平数据将系统地揭示原核生物基因组热适应的分子调控机理，为系统生物学的发展作出贡献。

三维基因组学研究染色体在细胞中的三维结构及其与基因表达调控之间的关系。得益于染色体构象捕获技术的发展，细菌三维基因组的研究受到了越来越多的关注。本项目基于染色体构象捕获测序技术（3C-seq），研究了大肠杆菌细胞染色体在常温下的三维结构以及在高温热激和热胁迫条件下的结构变化，试图揭示原核生物染色体温度适应的分子机理。截至目前，本项目进展顺利，年度计划完成情况较好，基本上实现了项目预定的研究目标。主要进展和结果如下：（1）测定了大肠杆菌正常生长温度（37℃）和高温胁迫温度（45℃）下的生长曲线；（2）通过染色体构象捕获测序技术获得了两个温度条件下不同处理时间（热激：热处理10分钟；热胁迫：热处理至稳定期）的染色质交互数据；（3）研究了大肠杆菌在受到热激和热胁迫时染色体空间组织特征的变化；（4）根据染色质交互数据，构建了大肠杆菌基因组的三维结构模型，并比较和分析了大肠杆菌在热激和热胁迫时三维结构的整体变化；（5）采用RNA-seq技术测得了两个温度下不同生长时期的转录组数据，分析了大肠杆菌在热激和热胁迫条件下整体转录水平的变化及显著差异表达的基因；（6）整合基因表达数据和染色体结构变化信息，系统地揭示大肠杆菌三维基因组热适应调控的分子机制，目前，该部分工作还正在进行之中。截至2019年底，该项目共发表标注项目资助信息的学术论文 10篇，申请发明专利 1 项，培养研究生10余人。本项目的实施及其取得的成果，加深了人们对原核生物三维基因组组织原理和环境胁迫响应机制的认识，为基因组学和分子系统生物学研究做出了积极的贡献。