Исследователи из Биоцентра Университета продемонстрировали, как бактерии координируют деление клеток с репликацией своего генетического материала. В междисциплинарном исследовании они объясняют, почему существующая концепция бактериального клеточного цикла должна быть переписана. Результаты опубликованы в eLife.
Каждая живая клетка растет и делится, порождая новое потомство. Этот процесс также известен как клеточный цикл. Строго говоря, он описывает периодическое повторение двух скоординированных циклов: дублирование генетической информации клетки, с одной стороны, и клеточное деление, с другой. Хотя клеточный цикл в растительных и животных клетках был достаточно точно выяснен в последние десятилетия, оставалось неясным, как эти два процесса координируются у бактерий.
Репликация ДНК контролирует время клеточного цикла
Хотя естественно думать, что клеточный цикл начинается с рождения клетки и заканчивается следующим клеточным делением, новое исследование свидетельствует о серьезном сдвиге в этой концепции. Их результаты показывают, что у бактерий клеточный цикл начинается и заканчивается инициацией репликации ДНК, при этом событие клеточного деления происходит между двумя событиями репликации ДНК.
Исследователи под руководством профессора Эрика ван Нимвегена из Биоцентра Базельского университета использовали междисциплинарный подход, сочетающий микрофлюидику, автоматизированную покадровую микроскопию, сложный анализ изображений и компьютерное моделирование. Они наблюдали за поведением отдельных клеток E. coli в течение длительных периодов времени и систематически определяли количество переменных, описывающих рост, деление клеток и репликацию ДНК, в течение тысяч клеточных циклов в различных условиях роста. Затем к этим данным было применено компьютерное моделирование, чтобы раскрыть механизмы контроля клеточного цикла.
Наша модель показывает, что клеточный цикл в E. coli начинается с инициации репликации ДНК, после чего начинают работать два разных счетчика: один определяет, когда должно произойти следующее деление клетки, а другой определяет, когда произойдет следующее деление клетки. должна произойти следующая инициация репликации ДНК», - объясняет Томас Джулу, руководитель исследования. «Хотя мы еще не определили молекулярную основу этих двух счетчиков, биомасса, произведенная с момента последнего сброса счетчика, по-видимому, является переменной, контролирующей, когда происходят следующие события деления и репликации».
Изучение колебаний для выявления механизмов контроля
В отличие от классических подходов молекулярной биологии, где анализируются эффекты мутаций, в текущем исследовании используется новый подход, в котором анализ тонких колебаний, которые демонстрируют нормально растущие клетки, используется для вывода о том, как контролируется лежащий в основе процесс.
«Главной задачей было разработать статистические методы для анализа структуры корреляций в колебаниях параметров клеточного цикла, таких как размер клетки при рождении», - говорит Эрик ван Нимвеген. «Ключевая новая идея, которую мы разработали, заключается в том, что вместо поиска корреляций между переменными более информативно определить, какие переменные колеблются независимо друг от друга». Такой подход позволил выявить механизм контроля бактериального клеточного цикла, но в целом этот метод будет применим для изучения других биологических процессов и организмов.