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eLife：捕捉到了细菌中DNA复制蛋白质的不稳定速度 图:当生长速度较快时，例如当细菌在高温下培养时，回复体速度会出现振荡。这可能是由于基因组的多个副本同时被复制。在缓慢生长的情况下，当一次只复制一个基因组时，振荡就会消失。 细胞分裂是生命的基础，它允许有机体生长、修复组织和繁殖。一个细胞要分裂，细胞内所有的DNA(基因组)必须首先被复制，这个过程被称为DNA复制。但是，对于科学家来说，复制DNA的蛋白质机制——复体的精确动态一直很难确定。 现在，日本冲绳科学技术研究所(OIST)的研究人员开发了一种新的模型，可以确定复体复制细菌基因组的速度变化。该模型结合实验表明，DNA的某些部分比其他部分复制得更快，并揭示了复制速度和错误率之间有趣的联系。这项研究于2022年7月25日发表在eLife杂志上。 “复制DNA的机器是惊人的——它们非常快，非常精确，”OIST的副教授、生物复杂性部门的负责人Simone Pigolotti说。“了解这些机器可以告诉我们什么对细胞是重要的——什么错误是可以容忍的，什么错误是不可容忍的，复制应该有多快。” 该模型依赖于测量一个不断分裂的细菌细胞群中不同DNA位置的丰富程度。在细菌中，为了开始DNA复制，两个复体在一个固定的起点连接到DNA上，沿着DNA环向相反的方向移动，复制DNA，直到它们在另一端相遇。这意味着最靠近起点的DNA首先被复制，而最靠近终点的DNA最后被复制。 “如果你让一群细菌自由生长，那么在任何给定的时间点，大多数细胞都将处于细胞分裂的过程中。因为DNA复制总是从相同的位置开始，这意味着如果你对所有DNA进行测序，靠近起点的DNA丰度会更高，而靠近终点的DNA丰度会低得多，”皮格洛蒂教授解释道。 在这项研究中，通过分析分布曲线的特征，研究人员能够确定蛋白质机器的确切速度。他们发现，随着温度的升高，复制速度也会加快。更有趣的是，研究人员发现，在基因组的不同位置，复体的速度也有所不同。 皮格洛蒂教授推测，造成复制速度波动的一个潜在原因可能是复制所需的资源有限，比如核苷酸——DNA的组成部分。 在美国，当条件良好时，单个细菌细胞每25分钟分裂一次。但是复制DNA的过程需要更长的时间——大约40分钟。因此，为了保持高的生长速度，基因组的多个副本同时被复制，这增加了在工作的复体的数量。然后，对核苷酸的竞争可能会导致复体减慢速度。 更多的证据支持这一假设。在低温和营养不良的培养基中，当细菌的生长速度较低，一次只复制一个基因组时，复制速度的波动就会消失。 有趣的是，研究人员还发现，复制速度的振荡也与其他研究中记录的突变率的振荡相匹配。当他们把这两种模式叠加在一起时，他们发现基因组中复制得更快的区域也有更高的突变率。 皮格洛蒂教授说:“这似乎很直观——如果我们想到一个动作，比如在键盘上打字，我们打字的速度越快，我们犯错的可能性就越大。”“所以我们认为，当复体走得更快时，他们的错误率就更高。” Pigolotti教授的下一步工作是确定在突变菌株中复制的速度是如何变化的大肠杆菌例如那些缺少帮助复制的蛋白质的细胞。他还很好奇，想知道这种模式是否也适用于其他菌株的细菌。 “这是一个非常令人兴奋的研究方向，”皮格洛蒂教授说。“所有的工作都是与这里的其他单位合作完成的。这种跨学科的合作只可能发生在OIST。” 文章标题Speed variations of bacterial replisomes |
