Деление клеток имеет основополагающее значение для жизни, позволяя организмам расти, восстанавливать ткани и размножаться.
Чтобы клетка могла делиться, вся ДНК внутри клетки (геном) должна быть сначала скопирована в процессе, называемом репликацией ДНК. Но точная динамика функционирования реплисом - белкового механизма, который копирует ДНК, была не известна. Недавно исследователи из Окинавского института науки и технологии в Японии разработали новую модель, которая позволяет определить изменения в скорости, с которой реплисомы копируют бактериальные геномы. Модель в сочетании с экспериментами показывает, что определенные участки ДНК копируются быстрее других, и обнаруживает интригующую связь между скоростью репликации и количеством ошибок. Исследование было опубликовано в журнале eLife.
"Машины, копирующие ДНК, удивительны - они очень быстрые и очень точные", - говорит руководитель исследования Симоне Пиголотти. "Понимание этих машин может подсказать нам, что важно для клеток - какие ошибки допустимы, какие нет, насколько быстрой должна быть репликация".
Модель основывается на измерении того, насколько многочисленны различные участки ДНК в популяции бактериальных клеток, которые постоянно делятся. В бактериях, чтобы начать репликацию ДНК, две реплисомы прикрепляются к ДНК в заданной точке начала и направляются в противоположные стороны вдоль петли ДНК, копируя ДНК, пока не встретятся на другой стороне. Это означает, что ДНК, расположенная ближе всего к точке начала, копируется первой, а ДНК, расположенная ближе всего к точке окончания, копируется последней.
"Если позволить популяции бактерий свободно расти, то в любой момент времени большинство клеток будет находиться в процессе деления. Поскольку репликация ДНК всегда начинается с одного и того же места, это означает, что если затем составить последовательность всей ДНК, то в ней будет больше ДНК, расположенной ближе к точке начала, и гораздо меньше ДНК, расположенной ближе к точке окончания", - поясняет Пиголотти.
В ходе исследования ученые культивировали бактерии Escherichia coli при разных температурах и затем секвенировали ДНК бактерий. Анализируя особенности кривой распределения, исследователи смогли определить точную скорость работы белкового механизма. Они обнаружили, что с повышением температуры скорость репликации увеличивалась. Что еще более интересно, исследователи обнаружили, что скорость репликации изменялась в разных точках генома. Пиголотти предполагает, что одной из возможных причин колебания скорости является ограничение ресурсов, необходимых для репликации, таких как нуклеотиды - строительные блоки ДНК.
В случае E. coli при благоприятных условиях одна бактериальная клетка может делиться каждые 25 минут. Но процесс репликации ДНК занимает больше времени - около 40 минут. Поэтому для поддержания высоких темпов роста одновременно реплицируется несколько копий генома, что увеличивает количество работающих реплисом. Конкуренция за нуклеотиды может привести к замедлению работы реплисом. Дополнительные доказательства подтверждают эту гипотезу. При низких температурах и в культурах, бедных питательными веществами, когда скорость роста бактерий низкая и за один раз копируется только один геном, эти колебания в скорости репликации исчезают.
Интересно, что исследователи также обнаружили, что наблюдаемые вариации скорости репликации совпадают с колебаниями скорости мутаций, отмеченными в других исследованиях. Совместив эти две закономерности, они обнаружили, что участки генома, которые копировались быстрее, имели и более высокую скорость образования мутаций. "Это выглядит интуитивно понятным - если мы подумаем о каком-либо действии, например, о наборе текста на клавиатуре, то чем быстрее мы печатаем, тем больше вероятность того, что мы сделаем ошибку", - говорит Пиголотти. "Поэтому мы думаем, что когда реплисомы движутся быстрее, их коэффициент ошибок выше".
Следующий шаг исследователей - определить, как меняется скорость репликации у мутантных штаммов E. coli, например, у тех, у которых отсутствуют белки, помогающие репликации и выяснение, сохраняется ли эта закономерность у других штаммов бактерий.
