Бактерии используют репликацию ДНК для принятия ключевого решения

У спорообразующих бактерий хромосомная локализация генов может связывать цикл репликации ДНК с критическим, разовым решением о том, размножаться или формировать споры. Новое открытие биоинженеров Университета Райса и их коллег из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Хьюстонского университета опубликовано на этой неделе в журнале Cell.

Как и большинство микроорганизмов, бактерии Bacillus subtilis — одноклеточные существа с одной целью: размножаться, создавая свои копии. Но выживание не всегда так просто. Например, когда пищи становится мало, B. subtilis должен выбрать один из двух путей: остановиться, сформировать покоящуюся спору (процесс «споруляции») и ждать лучших времён или разделиться на две клетки, надеясь, что пищи хватит хотя бы на ещё одно поколение.

Решение о том, формировать ли спору и когда, очень важно для B. subtilis. Если организм ждёт слишком долго, он может умереть от голода, не завершив превращение в спору. Если он действует слишком рано, его могут подавить и размножиться быстрее конкуренты.

Лаборатория Олега Игошина специализируется на описании работы сложных генетических регуляторных сетей, которые клетки используют для принятия таких решений. За последние 25 лет десятки исследований выявили сеть из более чем 30 генов, которую B. subtilis использует для запуска споруляции. Когда пищи много, эта сеть в основном молчит. Но во время голодания гены работают согласованно, чтобы сформировать спору.

B. subtilis безвреден для человека, но некоторые опасные бактерии, такие как Bacillus anthracis (возбудитель сибирской язвы), также образуют споры по сходному механизму.

Успешная споруляция требует двух полных копий бактериальной хромосомы, поэтому координация между решением о споруляции и завершением репликации ДНК очень важна.

Исследователи обнаружили, что при голодании активность гена-мастер-регулятора (Spo0A) резко возрастает один раз за клеточный цикл. Расследование показало, что это связано с расположением двух ключевых генов сети споруляции — kinA и spo0F — на бактериальном геноме.

Для деления и размножения бактерии должны сделать дубликат своей ДНК. Репликация кольцевой бактериальной ДНК всегда начинается в одной определённой точке. Если один ген расположен рядом с точкой начала репликации, клетка будет содержать две его копии (удваивая скорость производства этого белка) на протяжении всего периода репликации ДНК. Если другой ген находится на части круга, которая копируется последней, соотношение KinA к Spo0F будет один к одному только тогда, когда репликация ДНК почти завершена.

Математическая модель сети показала, что такое расположение генов может объяснять всплески активности Spo0A после каждого раунда репликации ДНК. Эксперименты подтвердили, что всплески активности Spo0A всегда следовали за завершением репликации ДНК, как предсказывала модель.

Кроме того, в экспериментах были созданы мутантные формы B. subtilis, в которых два критических гена были расположены близко друг к другу. В этих мутантах не наблюдался характерный всплеск Spo0A, и они не образовывали спор. В другом штамме, где была устранена петля отрицательной обратной связи между Spo0A и Spo0F, активность Spo0A увеличивалась постепенно, а не скачкообразно, и такие клетки в несколько раз чаще терпели неудачу или погибали во время споруляции.

Относительное расположение генов споруляции на кольце ДНК оказалось сходным у более чем 30 видов спорообразующих бактерий, включая Bacillus anthracis. Это свидетельствует о том, что механизм отсчёта времени на основе ДНК высоко консервативен, и возможно, что другие зависящие от времени клеточного цикла функции могут регулироваться аналогичным образом.