在孢子形成的細(xì)菌，基因染色體位置是DNA復(fù)制周期的關(guān)鍵，在一個(gè)千載難逢的機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)是否要復(fù)制由孢子的形式?jīng)Q定。新發(fā)現(xiàn)由萊斯大學(xué)生物工程師和他的同事發(fā)現(xiàn)，在加利福尼亞州的休斯頓大學(xué)的大學(xué)圣迭戈分校，并在本周出現(xiàn)在細(xì)胞雜志上。

 

像大多數(shù)微生物一樣，枯草芽孢桿菌的細(xì)菌是單細(xì)胞生物:通過自身的分裂復(fù)制。但是，生存并不總是那么簡(jiǎn)單。例如，當(dāng)食物變得稀少，枯草必須在兩種可能的路徑之間的決定：關(guān)閉，形成所謂的“孢子”休眠孢子的過程-和等待更好的時(shí)間或分裂成兩個(gè)細(xì)胞和賭有足夠的食物給下一代。

“關(guān)于是否形成孢子，對(duì)枯草芽孢桿菌是一個(gè)非常重要的決定，“Oleg Igoshin，生物工程副教授Rice和新的研究的首席研究人員之一說。“如果機(jī)體等待太長(zhǎng)時(shí)間，它可能餓死之前它完成轉(zhuǎn)化成孢子，如果太早的行為，并形成孢子太快，它可能被淹沒在出現(xiàn)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手上。”

 

Igoshin實(shí)驗(yàn)室專門描述了細(xì)胞利用做出這樣的決定調(diào)控復(fù)雜遺傳的網(wǎng)絡(luò)。他說，許多研究在過去25年里已經(jīng)確定了30多個(gè)基因網(wǎng)絡(luò). 

枯草芽孢桿菌是對(duì)人體無害的，但有些危險(xiǎn)的細(xì)菌像炭疽桿菌，引起炭疽的生物體，還形成孢子通過類似的機(jī)制。科學(xué)家們都熱衷于更好地理解這一過程，既保護(hù)公眾健康，并探索復(fù)雜的遺傳過程的演變。

 

孢子形成網(wǎng)絡(luò)的確切運(yùn)作是復(fù)雜的。2012年，Igoshin和研究生Jatin Narula分析了被稱為Spo0A，在“孢子主調(diào)節(jié)器，”解釋如何在網(wǎng)絡(luò)過濾掉Spo0A活動(dòng)嘈雜波動(dòng)。通過濾除噪聲，細(xì)胞能夠準(zhǔn)確地確定是否Spo0A活動(dòng)高于觸發(fā)孢子形成的閾值。

 

“成功孢子形成需要細(xì)菌染色體的兩個(gè)完整的拷貝，所以孢子形成的決定，并在完成DNA復(fù)制之間的協(xié)調(diào)是非常重要的，”Narula所述。“一個(gè)很好的比喻可能是一個(gè)學(xué)期的課程在生物學(xué)，經(jīng)驗(yàn)都在一個(gè)特定的順序，和學(xué)生進(jìn)行了測(cè)試，他們學(xué)習(xí)的。”

Igoshin說，當(dāng)研究人員開始尋找孢子如何決定是定時(shí)細(xì)胞周期，一些研究，包括團(tuán)隊(duì)成員先前的工作，提供了一個(gè)顯著的線索：在饑餓條件下，主控調(diào)節(jié)基因的活性已被證明。

 

在研究如何發(fā)生的這種調(diào)節(jié)，Narula通過鉆研幾十發(fā)表的研究報(bào)告，發(fā)現(xiàn)一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間以及和差異的相互作用的兩個(gè)關(guān)鍵細(xì)胞之間的孢子網(wǎng)絡(luò)廣泛接受的觀點(diǎn)，一種叫做Spo0F蛋白質(zhì)被稱為基那激酶。要解決這個(gè)矛盾，Narula內(nèi)置其中超額Spo0F抑制基那活動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。新的模型表明，改變基那對(duì)Spo0F的比率可以產(chǎn)生相似，看到實(shí)驗(yàn)的脈沖。

“基那由0F導(dǎo)致抑制負(fù)反饋環(huán) “，這意味著輸出工作，以抵消觸發(fā)它的輸入端，”Narula，研究的共同主要作者。“這樣的循環(huán)是在工程和生物系統(tǒng)常見，平時(shí)的工作讓事情變得相對(duì)穩(wěn)定，盡管外部擾動(dòng)。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就是對(duì)你的房子溫控，當(dāng)溫度下降，將讓您的熱水器打開，直到溫度又回來了到正常狀態(tài)。如果是在反饋環(huán)路中的延遲時(shí)，系統(tǒng)可能會(huì)過度反應(yīng)并產(chǎn)生浪涌。隨著恒溫器，例如，如果加熱單元繼續(xù)運(yùn)行所需的溫度一段時(shí)間后達(dá)到的溫度可以瞬時(shí)沉降回至所水平之前的尖峰“。

 

Igoshin和Narula所述類似尖峰似乎是控制該有源Spo0A的量的網(wǎng)絡(luò)中的延遲的負(fù)反饋回路的結(jié)果。此外，基于對(duì)細(xì)菌基因組的基那和Spo0F基因的位置，進(jìn)行計(jì)時(shí)。

分裂和繁殖，細(xì)菌必須使用自己的DNA的副本。由于圓形細(xì)菌DNA的復(fù)制總是啟動(dòng)在一個(gè)特定點(diǎn)，Narula推測(cè)的基那和Spo0F基因的位置可能是至關(guān)重要的。如果一個(gè)被位于附近的點(diǎn)的DNA復(fù)制開始后，細(xì)胞將包含該基因加倍生產(chǎn)該的速率蛋白質(zhì)在整個(gè)DNA復(fù)制期間的兩個(gè)副本。如果其它基因分別位于該最后復(fù)制的圓的一部分，基那對(duì)Spo0F比率將是一對(duì)一的，只有當(dāng)DNA復(fù)制基本完成。

 

Igoshin和Narula所使用的網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)數(shù)學(xué)模型，以表示這個(gè)型基因排列的可每輪DNA復(fù)制后在Spo0A活動(dòng)占尖峰。為了驗(yàn)證自己的想法，他們聯(lián)手與實(shí)驗(yàn)生物學(xué)家安娜Kuchina，該研究的共同第一作者，和GürolSüel，聯(lián)合首席研究員，美國(guó)加州兩者的大學(xué)圣地亞哥分校的。

實(shí)驗(yàn)表明，Spo0A活動(dòng)的尖峰始終遵循DNA復(fù)制完成作為模型預(yù)測(cè)。此外，Kuchina和他的同事用生物技術(shù)來設(shè)計(jì)的突變形式B. 枯草其中兩個(gè)關(guān)鍵基因分別位于彼此接近。從延遲的負(fù)反饋回路的Spo0A穗未在突變體觀察到的，并且它們沒有產(chǎn)生孢子。在另一工程菌，在反饋回路 Spo0A和Spo0F之間被淘汰出局。這導(dǎo)致在Spo0A活動(dòng)逐漸增加，而不是一個(gè)尖峰，而這種細(xì)胞幾次失敗的可能性較大，或孢子中死亡。

 

“我們發(fā)現(xiàn)，在DNA圓圈孢子形成基因的相對(duì)位置均在30余種孢子形成的細(xì)菌，其中包括類似炭疽桿菌，“Igoshin說。“這一證據(jù)表明該DNA定時(shí)機(jī)構(gòu)是高度保守的，并且有可能是相關(guān)的其它時(shí)間關(guān)鍵功能的細(xì)胞周期可以以類似的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。“

ps:相關(guān)產(chǎn)品:過表達(dá)細(xì)胞裂解物