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细菌DNA的复制时间是关键

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一粒金砂(初级)

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发表于 2015-8-6 16:49 | 显示全部楼层 |阅读模式
在孢子形成的细菌,基因染色体位置可夫妇DNA的复制周期的关键,一次在一个千载难逢是否要复制或孢子的形式决定。由莱斯大学生物工程师和他的同事的新发现,在加利福尼亚州的休斯顿大学的大学圣迭戈分校,并在本周出现在杂志细胞。

像大多数微生物,枯草芽孢杆菌的细菌是单细胞生物只有一个目标:通过自身的副本复制。但是,生存并不总是那么简单。例如,当食物变得稀少,B. 枯草必须两个可能的路径之间决定:关闭,形成一个休眠孢子-一个被称为“芽孢”方法-和等待更好的时间或分裂成两个细胞和赌博有足够的食物用于至少一个多代。

“关于是否形成孢子,当是一个非常重要的一个是决定枯草芽孢杆菌,“奥列格Igoshin,生物工程副教授赖斯和新的研究的首席研究人员之一说。“如果机体等待太长时间,它可以饿死之前它完成转化成孢子,如果太早的行为,并形成孢子太快,它可以被淹没和出再现的竞争对手。”

Igoshin实验室专门描述了细胞利用做出这样的决定的复杂遗传调控网络的运作。他说,许多研究在过去25年里已经确定了30多个基因网络的B. 枯草使用带来孢子。当食物充足,这个网络是无声的。但在饥饿时代的基因协同工作,形成孢子。

枯草芽孢杆菌是对人体无害的,但有些危险的细菌像炭疽杆菌,引起炭疽的生物体,还形成孢子通过类似的机制。科学家们都热衷于更好地理解这一过程,既保护公众健康,并探索复杂的遗传过程的演变。

孢子形成网络的确切运作是复杂的。2012年,Igoshin和研究生Jatin Narula分析了被称为Spo0A,在“孢子主调节器,”解释如何在网络过滤掉Spo0A活动嘈杂的波动蛋白基因下游电路。通过滤除噪声,细胞能够准确地确定是否Spo0A活动高于触发孢子形成的阈值。

在新的研究中,Narula,Igoshin和合作者着手解释B. 枯草倍孢子决定其细胞分裂周期,编程一系列细胞通常遵循重现事件。

“成功孢子形成需要细菌染色体的两个完整的拷贝,所以孢子形成的决定,并在完成DNA复制之间的协调是非常重要的,”Narula所述。“一个很好的比喻可能是一个学期的课程在生物学,经验都在一个特定的顺序,和学生进行了测试,他们学习的。如果最后考试是在第一周定,学生几乎肯定会失败之后。”

Igoshin说,当研究人员开始寻找孢子如何决定是定时细胞周期,一些研究,包括团队成员先前的工作,提供了一个显著的线索:在饥饿条件下,主控调节基因的活性已被证明秒杀一旦每个细胞周期。

在研究如何发生的这种秒杀,Narula通过钻研几十发表的研究报告,发现一些实验结果之间以及和差异的相互作用的两个关键球员之间的孢子网络广泛接受的观点,一种叫做Spo0F蛋白质被称为基那激酶使用酶联免疫试剂盒(酶联免疫试剂盒相关产品可参考华美生物:cusabio.cn)测试。要解决这个矛盾,Narula内置其中超额Spo0F抑制基那活动的数学模型。新的模型表明,改变基那对Spo0F的比率可以产生相似,看到在实验的脉冲。

“基那由0F导致'负反馈回路”,这意味着电路的输出的抑制的工作原理,以抵消触发它的输入端,“Narula,研究的共同主要作者。“这样的循环是在工程和生物系统常见,平时的工作让事情变得相对稳定,尽管外部扰动。负反馈一个简单的例子是,在你的房子的恒温器,当温度下降,将让您的热水器上,直到温度又回来了到正常状态。如果是在反馈环路中的延迟时,系统可能会过度反应并产生浪涌。随着恒温器,例如,如果加热单元继续运行所需的温度一段时间后达到的温度可以瞬时沉降回至所需水平之前尖峰“。

Igoshin和Narula所述类似尖峰似乎是控制该有源Spo0A的量的网络中的延迟的负反馈回路的结果。此外,基于对细菌基因组的基那和Spo0F基因的位置,这些尖峰进行计时。

分裂和繁殖,细菌必须使自己的DNA的副本。由于圆形细菌DNA的复制总是启动在一个特定点,Narula推测的基那和Spo0F基因的位置可能是至关重要的。如果一个被位于附近的点的DNA复制开始后,细胞将含有该基因的两个拷贝 - 加倍生产该蛋白质的速率 - 在整个DNA复制期间。如果其它基因分别位于该最后复制的圆的一部分,基那对Spo0F比率将是一对一的,只有当DNA复制基本完成。

Igoshin和Narula所使用的网络的一个数学模型,以表示这个型基因排列的可每轮DNA复制后在Spo0A活动占尖峰。为了验证自己的想法,他们联手与实验生物学家安娜Kuchina,该研究的共同第一作者,和GürolSüel,联合首席研究员,美国加州两者的大学圣地亚哥分校的。

实验表明,Spo0A活动的尖峰始终遵循DNA复制完成作为模型预测。此外,Kuchina和他的同事用生物技术来设计的突变形式B. 枯草其中两个关键基因分别位于彼此接近。从延迟的负反馈回路的Spo0A穗未在突变体观察到的,并且它们没有产生孢子。在另一工程菌,Spo0A和Spo0F之间的反馈回路被淘汰。这导致在Spo0A活动逐渐增加,而不是一个尖峰,而这种细胞几次失败的可能性较大,或孢子中死亡。

“我们发现,在DNA圆圈孢子形成基因的相对位置均在30余种孢子形成的细菌,其中包括类似炭疽杆菌,“Igoshin说。“这一证据表明该DNA定时机构是高度保守的,并且有可能是相关的细胞周期其它时间关键的功能可以在一个类似的方式进行调节。
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