Как бактерия узнает, что ей пора делиться?
Клетки во всех сферах жизни растут и делятся так, что их размеры жестко регулируются, однако координация этих процессов остается малоизученной. Вопрос о том, как клетки регулируют свои клеточные циклы, является одним из центральных в клеточной биологии.
Что подсказывает бактерии, что ей пора разделиться? Ученые расходятся во мнениях по этому вопросу. В предыдущих работах были предложены различные модели этой координации у бактерий, в одних из которых деление контролируется процессами репликации ДНК, а в других - не связано с ними. Модели гомеостаза размеров клеток были предложены для бактерий, архей, грибков, растений и клеток млекопитающих. Новые эксперименты приносят большие объемы данных, которые позволяют проверить существующие модели регуляции размера клеток и предложить новые механизмы.
В последние несколько лет, пытаясь выявить биологические сигналы, определяющие момент деления бактерии, ученые опирались на недавно разработанную технологию, позволяющую отслеживать жизненные циклы одной бактериальной клетки и всех ее потомков на протяжении сотен поколений. Проблема в том, что эксперименты с использованием этой системы давали противоречивые модели, каждая из которых приписывала время деления клеток различным факторам.
В исследовании, опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, ученые из Института наук Вейцмана (Израиль) использовала статистический анализ, чтобы определить, какая модель деления клеток наиболее правдоподобна. Преимущество этого метода в том, что он позволяет сразу перейти к решению проблемы - выявлению причинного фактора деления - без необходимости раскрывать точные биологические механизмы.
В своем предыдущем исследовании авторы, следившие за делением бактериальных клеток, заметили, что с момента дублирования ДНК до деления клетки вырастают на абсолютно одинаковый объем. Из этого они сделали вывод, что процессы, говорящие клетке, что она должна разделиться на две части, начинаются на этапе дублирования генетического материала. Это наблюдение привело к разработке другой модели, согласно которой отсчет времени до деления клетки начинается с момента ее рождения. Согласно этому подходу, в клетках с самого начала начинает накапливаться регуляторный белок, который заводит своеобразный тикающий будильник, срабатывающий, когда уровень этого белка достигает определенной отметки. Третья модель объединила оба подхода, предложив участие как регуляторного белка, так и генетической репликации.
Все эти модели были основаны на корреляции: ученые заметили, что пределы роста в определенных частях цикла бактериальных клеток, казалось, были синхронны с клеточным делением. Но, как может сказать вам любой студент первого курса, корреляция не является причинно-следственной связью. То есть накопление белка или репликация ДНК могут происходить одновременно с сигналом к делению, не имея при этом никакой причинно-следственной связи с этим сигналом.
Чтобы разобраться с моделями деления клеток, в ходе выращивания сотен различных модельных бактерий E. coli, ученые использовали статистический анализ условной независимости. Для одних клеток были созданы условия, которые позволяли им быстро делиться, а другие выращивались в условиях, которые диктовали более медленный рост. Полученные данные включали в себя время наступления различных стадий жизненного цикла клеток, а также размер клеток на каждой стадии.
Анализ на условную независимость ставит вопросы по принципу "если - то", которые позволяют выявить, какая из корреляций является совпадением, не имеющим причинно-следственной связи. Исследователи сравнили группы бактериальных клеток, которые были одинакового размера на стадии дупликации ДНК, но имели разные размеры при рождении. Если модель, утверждающая, что время деления клеток зависит только от дупликации ДНК верна, то клетки одинакового размера во время дупликации будут делиться в одинаковое время, независимо от их размера при рождении. Если же модель неверна, и именно накопление регуляторного белка с момента рождения определяет время деления клеток, то клетки разного размера при рождении будут делиться в разное время, и будет наблюдаться корреляция между размером при рождении и размером в момент деления.
Исследователи с удивлением обнаружили, что обе модели верны, но не так, как предлагала третья "гибридная" модель. Когда бактериальные клетки росли медленно, только процессы дупликации ДНК определяли, когда клетка будет делиться. Однако когда скорость роста клеток увеличивалась, ситуация усложнялась, и авторы обнаружили, что и процессы, начинающиеся с момента рождения, и дупликация ДНК в совокупности определяют момент деления клетки.
Наконец, исследователи обнаружили визуальный признак того, что деление клетки достигло точки невозврата: клетке суждено разделиться на две клетки в тот момент, когда в ее центре начинает формироваться кольцеобразная структура из цитоплазматического белка FtsZ . Это кольцо служит каркасом для сборки механизмов деления и сжимается на протяжении всего деления, направляя синтез зарождающейся перегородки.
Ученые также использовали анализ условной независимости, чтобы опровергнуть широко распространенную теорию о том, что время дупликации ДНК в одном поколении жестко определяет это время в следующем. Напротив, они показали, что процессы, происходящие в родительской клетке после того, как дублирование ДНК уже началось, могут повлиять на то, когда дочерние клетки начнут копировать свой генетический материал.
"Использование статистических методов для подтверждения причинно-следственных связей позволяет нам лучше понять процессы роста и деления в бактериальных клетках", - рассказал соавтор работы Ариель Амир. "Анализ на условную независимость широко используются в таких областях, как эпидемиология, экономика и так далее. Я считаю, что возможность охарактеризовать процессы роста и размножения широкого спектра патогенов проложит путь к разработке более эффективных антибиотиков в будущем".
