E. coli делится быстрее, чем успевает реплицировать свой геном, одновременно экспрессируя свои гены. Недавно ученые обнаружили сложную молекулярную координацию, которая делает это возможным.
Каждая бактерия участвует в гонке, чтобы стать бактерией, и победителем становится та, у которой самая быстрая стратегия. В качестве примера можно привести кишечную палочку. Она может непрерывно удваиваться в течение всей жизни, и, как ни странно, эта бактерия эволюционировала, чтобы делиться быстрее, чем воспроизводить свой геном. Учитывая, что E. coli форсирует репликацию, ученые предположили, что это может помешать другому процессу, который протекает без перерыва: экспрессии генов. Однако изучить влияние репликации на экспрессию генов не удавалось, потому что бактерии в популяции - это как вахтовики в неспящем городе. Каждый из них занимает свою фазу клеточного цикла, создавая слишком много помех, чтобы проследить закономерности.
И вот недавно исследование, о котором сообщается в журнале Nature, позволило использовать метод измерения экспрессии генов внутри отдельной бактерии, что дало возможность сосредоточить анализ на отдельных клетках. Выявленные закономерности показали, как эти суетливые микроорганизмы регулируют свои геномы.
Микробиолог и соавтор исследования Эндрю Паунтин, сотрудник исследовательской группы системной биологии в Нью-Йоркском университете, понял, что в каждый момент времени отдельная бактерия экспрессирует определенный набор генов, который мог бы потеряться в анализе, если бы он усреднял данные по всем членам популяции, что и привело его к транскриптомике единичных клеток. Однако, по словам Паунтина, "исходные данные, с которыми мы работали были ужасны", поскольку они были очень зашумлены. "Это как если бы кто-то приказал вам воспроизвести фильм, но при этом он давал бы вам кадры по отдельности, и каждый кадр был бы очень размытым или затененным", - поясняет Паунтин. Специалисты должны были найти способ очистить и синхронизировать кадры, чтобы создать целостный биографический фильм о закономерностях экспрессии генов бактерии.
Чтобы выявить потенциальные связи между репликацией и экспрессией генов, группа разработала новый способ организации данных, собранных из несинхронизированных клеток, которые они заморозили на время с помощью формальдегида. Они предположили, что если репликация влияет на экспрессию генов, то это будет происходить в том порядке, в котором она копирует гены вдоль хромосомы. При сортировке данных в поисках закономерностей, связывающих экспрессию генов с их хромосомным положением, внезапно хаос превратился в порядок. "Если наложить на него структуру, а это структура клеточного цикла, управляемая репликацией, то внезапно он превращается из невероятно шумного и очень сложного в невероятно логичный", - поделился Паунтин.
У E. coli круглая хромосома, но репликация происходит не по часовой стрелке вдоль хромосомы. Вместо этого она одновременно реплицирует два сегмента по 180° за половину времени, оба из которых исходят из одной и той же начальной точки в положении "12 часов". Один сегмент реплицируется по часовой стрелке, а другой - против часовой стрелки, соединяясь в районе "6 часов". Авторы заметили аналогичную закономерность в экспрессии генов: гены, расположенные на противоположных сегментах, но на одинаковом расстоянии от начальной точки "12 часов", экспрессировались в одно и то же время. Эти результаты позволили предположить, что эти гены имеют общий сигнал активации, приуроченный к синхронной репликации двух сегментов.
На влияние репликации указывают и другие особенности экспрессии. E. coli не делает перерыва между одним раундом репликации и следующим. В то время как два сегмента сливаются на финишной точке в положении "6 часов", новая волна репликации начинается на стартовой точке в положении "12 часов". Аналогичным образом они обнаружили, что гены вблизи старта и финиша включаются в одно и то же время, что свидетельствует о том, что репликация контролирует их экспрессию. Наконец, в "шумных" данных об экспрессии генов, собранных в бактериальных популяциях, появился смысл, хотя для ученых это стало неожиданностью. "Мы не ожидали, что найдем систему, которая будет иметь гораздо более универсальный и глобальный характер", - говорит Паунтин.
Куанвей Шенг, системный биолог из Гарвардского университета, который не принимал участия в работе, отмечает: "Есть несколько исследований, демонстрирующих, например, один ген, на который сильно влияет репликация", но он отметил, что это первая демонстрация того, что эти эффекты носят системный характер.
Показав, что репликация влияет на общую экспрессию генов, авторы создали графики экспрессии отдельных генов, которые назвали профилями взаимодействия транскрипции и репликации (TRIP). Эти графики выявили изменения в сроках и уровне экспрессии генов, которые происходили одновременно с циклами репликации. Паунтин сравнил TRIP с электрокардиограммой (ЭКГ).
Подобно тому, как волны ЭКГ несут информацию о здоровье сердца, кривые TRIP показывают, как репликация включает и выключает ген.
Исследовательской группе еще предстоит расшифровать TRIP для каждого гена, чтобы понять, насколько репликация контролирует его экспрессию по сравнению с другими регуляторами, например, транскрипционными факторами. "Мы как будто открыли новый язык, но пока не знаем, что означает каждое слово", - говорит Паунтин. Со временем они намерены дать определение различным TRIP в геноме. Авторы также обнаружили схожие тенденции экспрессии генов у Staphylococcus aureus, что позволяет предположить, что этот процесс может быть консервативным для всех бактерий. Однако "насколько можно экстраполировать этот процесс на [другие бактерии], пока неизвестно. Думаю, это стоит изучить подробнее", - добавил Шенг.
Вопрос о том, есть ли аналогичный процесс у архей или эукариот, также остается открытым. "Эукариотические клетки гораздо сложнее в разных отношениях, - отметил Шенг. У них несколько хромосом большего размера, несколько центров репликации на каждой хромосоме, и некоторые участки ДНК упакованы более плотно, чем другие, поэтому такая форма регуляции генов может быть сугубо прокариотической". Несмотря на это, "бактерии являются важными патогенами и этот механизм может иметь большое биомедицинское значение уже сам по себе", - утверждает Паунтин.
