Новая модель объясняет изменчивую скорость копирования ДНК у бактерий
Для деления клетки необходимо сначала полностью скопировать её геном в процессе репликации ДНК. Однако точная динамика реплисом — белковых комплексов, копирующих ДНК, — долгое время оставалась неясной.
Исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST, Япония) разработали модель, которая определяет вариации скорости, с которой реплисомы копируют бактериальные геномы. Модель в сочетании с экспериментами показывает, что определённые участки ДНК копируются быстрее других, и выявляет связь между скоростью репликации и частотой ошибок. Исследование опубликовано в eLife 25 июля 2022 года.
Модель основана на измерении количества копий различных участков ДНК в популяции постоянно делящихся бактериальных клеток. У бактерий два реплисомы прикрепляются к ДНК в точке начала репликации (origin) и движутся в противоположных направлениях по кольцевой ДНК, копируя её, пока не встретятся. Это означает, что ДНК, ближайшая к точке начала, копируется первой, а ближайшая к точке завершения — последней.
«Если позволить популяции бактерий свободно расти, то в любой момент времени большинство клеток будет находиться в процессе деления. Поскольку репликация ДНК всегда начинается с одного и того же места, при секвенировании всей ДНК будет больше копий участков, ближайших к точке начала, и гораздо меньше — тех, что ближе к концу», — пояснил профессор Симоне Пиголотти.
В исследовании учёные из OIST культивировали бактерии Escherichia coli (E. coli) при разных температурах, а затем провели секвенирование их ДНК.
Анализ кривой распределения позволил определить точную скорость работы белкового комплекса. Оказалось, что с повышением температуры скорость репликации возрастает. Более того, выяснилось, что скорость реплисом варьируется на разных участках генома.
Одна из потенциальных причин этих колебаний — возможное ограничение ресурсов, необходимых для репликации, например, нуклеотидов (строительных блоков ДНК).
В E. coli в хороших условиях клетка делится каждые 25 минут, но процесс репликации ДНК занимает около 40 минут. Поэтому для поддержания высокой скорости роста одновременно реплицируются несколько копий генома, что увеличивает число работающих реплисом. Конкуренция за нуклеотиды может заставлять реплисомы замедляться.
Дополнительные данные подтверждают эту гипотезу. При низких температурах и в бедных питательными веществами средах, когда скорость роста бактерий низка и копируется только один геном за раз, эти колебания скорости репликации исчезают.
Кроме того, исследователи обнаружили, что колебания скорости репликации совпадают с колебаниями частоты мутаций, задокументированными в других работах. Участки генома, которые копировались быстрее, также имели более высокую частоту мутаций.
«Это интуитивно понятно — если мы думаем о каком-либо действии, например, печати на клавиатуре, то чем быстрее мы печатаем, тем вероятнее ошибка. Мы считаем, что когда реплисомы движутся быстрее, их частота ошибок выше», — сказал профессор Пиголотти.
Следующим шагом будет определение того, как скорость репликации меняется у мутантных штаммов E. coli, например, лишённых белков, помогающих репликации. Также учёные хотят проверить, сохраняется ли эта закономерность у других штаммов бактерий.