Ny model fanger uregelmæssig hastighed af DNA-kopiering af proteiner i bakterier

Celledeling er fundamental for livet, og tillader organismer at vokse, reparere væv og formere sig. For at en celle skal dele sig, skal alt DNA'et inde i cellen (genomet) først kopieres, i en proces kaldet DNA-replikation. Men den præcise dynamik af replisomer - proteinmaskineriet, der kopierer DNA - har været vanskelig for videnskabsmænd at bestemme.

Nu har forskere ved Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) i Japan udviklet en ny model, der kan bestemme variationer i den hastighed, hvormed replisomer kopierer bakterielle genomer. Modellen, kombineret med eksperimenter, viser, at visse dele af DNA kopieres hurtigere end andre og afslører en spændende sammenhæng mellem replikationshastighed og fejlrate. Forskningen blev offentliggjort i eLife den 25. juli 2022.

"Maskinerne, der kopierer DNA, er fantastiske - de er meget hurtige og meget præcise," sagde Simone Pigolotti, en lektor ved OIST, der leder den biologiske kompleksitetsenhed. "Forståelse af disse maskiner kan fortælle os, hvad der er vigtigt for celler - hvilke fejl der er tolerable, hvilke fejl der ikke er, hvor hurtig replikering skal være."

Modellen er afhængig af at måle, hvor mange forskellige DNA-placeringer er inden for en population af bakterieceller, der konstant deler sig. I bakterier, for at starte DNA-replikation, binder to replisomer sig til DNA'et ved et fastsat startpunkt og går i modsatte retninger langs DNA-sløjfen og kopierer DNA, indtil de mødes på den anden side. Det betyder, at det DNA, der er tættest på oprindelsespunktet, kopieres først, mens det DNA, der er tættest på termineringspunktet, kopieres sidst.

"Hvis man lader en population af bakterier vokse frit, så vil de fleste celler på ethvert givet tidspunkt være i gang med celledeling. Fordi DNA-replikation altid starter fra samme sted, betyder det, at hvis man så sekventerer alt DNA'et. , vil der være en højere overflod af DNA, der er tættest på oprindelsespunktet, og en meget lavere mængde DNA, der er tættere på slutpunktet," forklarede Prof. Pigolotti.

I undersøgelsen dyrkede forskere fra Nucleic Acid Chemistry and Engineering Unit ved OIST Escherichia coli (E. coli) bakterier ved forskellige temperaturer. Sekvenseringssektionen sekventerede derefter bakteriens DNA.

Ved at analysere fordelingskurvens træk var forskerne i stand til at bestemme proteinmaskineriets nøjagtige hastighed. De fandt ud af, at efterhånden som temperaturen steg, steg replikationshastigheden. Endnu mere interessant opdagede forskerne, at replisomerne varierede deres hastighed på forskellige punkter langs genomet.

En potentiel årsag til deres svingende hastighed, spekulerer Prof. Pigolotti, er, at der kan være begrænsninger for de ressourcer, der er nødvendige til replikation, såsom nukleotider - DNA'ets byggesten.

I E. coli, når forholdene er gode, kan en enkelt bakteriecelle dele sig hvert 25. minut. Men processen med at replikere DNA tager længere tid - omkring 40 minutter. For at kunne følge med høje vækstrater replikeres derfor flere kopier af genomet på samme tid, hvilket øger antallet af replisomer i arbejde. Konkurrence om nukleotider kan så få replisomerne til at bremse.

Yderligere beviser understøtter denne hypotese. Ved lave temperaturer og i næringsfattige kulturer, når væksthastigheden af ​​bakterierne er lav, og kun ét genom ville blive kopieret ad gangen, forsvinder disse udsving i replikationshastigheden.

Spændende fandt forskerne også, at de svingninger, der blev set for replikationshastighed, også matchede svingningerne i mutationshastigheden, der er dokumenteret i andre undersøgelser. Da de overlejrede de to mønstre, fandt de ud af, at områder af genomet, der blev kopieret hurtigere, også havde en højere mutationshastighed.

"Dette virker intuitivt - hvis vi tænker på en handling, som at skrive på et tastatur, jo hurtigere vi skriver, jo mere sandsynligt er det, at vi laver en fejl," sagde prof. Pigolotti. "Så vi tror, ​​at når replisomerne går hurtigere, er deres fejlrate højere."

For Prof. Pigolotti er det næste skridt at bestemme, hvordan replikationshastigheden ændrer sig i mutantstammer af E. coli, såsom dem, der mangler proteiner, der hjælper med replikation. Han er også nysgerrig efter at se, om mønsteret holder i andre bakteriestammer.

"Det er en virkelig spændende forskningsretning," sagde prof. Pigolotti. "Og alt arbejdet blev udført i samarbejde med andre enheder her. Det er den form for tværfagligt samarbejde, der kun kan ske på OIST." + Udforsk yderligere

To proteiner bremser DNA-replikationstoget i Drosophila