细菌DNA复制的关键由时间决定

在孢子形成的细菌，基因染色体位置是DNA复制周期的关键，在一个千载难逢的机会发现是否要复制由孢子的形式决定。新发现由莱斯大学生物工程师和他的同事发现，在加利福尼亚州的休斯顿大学的大学圣迭戈分校，并在本周出现在细胞杂志上。

 

像大多数微生物一样，枯草芽孢杆菌的细菌是单细胞生物:通过自身的分裂复制。但是，生存并不总是那么简单。例如，当食物变得稀少，枯草必须在两种可能的路径之间的决定：关闭，形成所谓的“孢子”休眠孢子的过程-和等待更好的时间或分裂成两个细胞和赌有足够的食物给下一代。

“关于是否形成孢子，对枯草芽孢杆菌是一个非常重要的决定，“Oleg Igoshin，生物工程副教授Rice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，它可能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，它可能被淹没在出现的竞争对手上。”

 

Igoshin实验室专门描述了细胞利用做出这样的决定调控复杂遗传的网络。他说，许多研究在过去25年里已经确定了30多个基因网络. 

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活动嘈杂波动。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。

 

“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。”

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。

 

在研究如何发生的这种调节，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细胞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。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，看到实验的脉冲。

“基那由0F导致抑制负反馈环 “，这意味着输出工作，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。一个简单的例子就是对你的房子温控，当温度下降，将让您的热水器打开，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水平之前的尖峰“。

 

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，进行计时。

分裂和繁殖，细菌必须使用自己的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，细胞将包含该基因加倍生产该的速率蛋白质在整个DNA复制期间的两个副本。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，在反馈回路 Spo0A和Spo0F之间被淘汰出局。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其它时间关键功能的细胞周期可以以类似的方式进行调节。“

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