När tillväxthastigheten är snabb, till exempel när bakterier odlas vid en hög temperatur, uppstår svängningar i replisomhastigheten. Detta kan bero på att flera kopior av genomet är replikationer samtidigt. Vid långsam tillväxt, när endast ett genom kopieras åt gången, försvinner svängningarna. Kredit:Okinawa Institute of Science and Technology
Celldelning är grundläggande för livet, vilket gör att organismer kan växa, reparera vävnader och fortplanta sig. För att en cell ska dela sig måste allt DNA inuti cellen (genomet) först kopieras, i en process som kallas DNA-replikation. Men den exakta dynamiken hos replisomer - proteinmaskineriet som kopierar DNA - har varit svårt för forskare att avgöra.
Nu har forskare vid Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) i Japan utvecklat en ny modell som kan fastställa variationer i hastigheten med vilken replisomer kopierar bakteriegenom. Modellen, i kombination med experiment, visar att vissa delar av DNA kopieras snabbare än andra och avslöjar en spännande koppling mellan replikationshastighet och felfrekvens. Forskningen publicerades i eLife den 25 juli 2022.
"Maskinerna som kopierar DNA är fantastiska - de är väldigt snabba och mycket exakta", säger Simone Pigolotti, docent vid OIST som leder enheten för biologisk komplexitet. "Att förstå dessa maskiner kan berätta för oss vad som är viktigt för celler - vilka misstag som är acceptabla, vilka misstag som inte är det, hur snabb replikering bör vara."
Modellen bygger på att mäta hur många olika DNA-platser finns inom en population av bakterieceller som hela tiden delar sig. I bakterier, för att starta DNA-replikation, fäster två replisomer till DNA:t vid en bestämd ursprungspunkt och går i motsatta riktningar längs DNA-slingan och kopierar DNA tills de möts på andra sidan. Detta innebär att DNA närmast ursprungspunkten kopieras först, medan DNA närmast termineringspunkten kopieras sist.
"Om du låter en population av bakterier växa fritt, kommer de flesta celler vid varje given tidpunkt att vara i processen med celldelning. Eftersom DNA-replikation alltid startar från samma plats, betyder det att om du sedan sekvenserar allt DNA. , kommer det att finnas ett högre överflöd av DNA som är närmast ursprungspunkten, och en mycket lägre mängd DNA som är närmare slutpunkten," förklarade Prof. Pigolotti.
I studien odlade forskare från Nucleic Acid Chemistry and Engineering Unit vid OIST Escherichia coli (E. coli) bakterier vid olika temperaturer. Sekvenseringssektionen sekvenserade sedan bakteriens DNA.
Genom att analysera egenskaperna hos fördelningskurvan kunde forskarna bestämma proteinmaskineriets exakta hastighet. De fann att när temperaturen ökade, ökade replikeringshastigheten. Ännu mer intressant upptäckte forskarna att replisomerna varierade sin hastighet vid olika punkter längs genomet.
En potentiell orsak till deras fluktuerande hastighet, spekulerar Prof. Pigolotti, är att det kan finnas gränser för resurser som behövs för replikering, såsom nukleotider – byggstenarna i DNA.
I E. coli, när förhållandena är goda, kan en enda bakteriecell dela sig var 25:e minut. Men processen att replikera DNA tar längre tid - cirka 40 minuter. Därför, för att hänga med i höga tillväxthastigheter, replikeras flera kopior av genomet samtidigt, vilket ökar antalet replisomer i arbete. Konkurrens om nukleotider kan då få replisomerna att sakta ner.
Ytterligare bevis stödjer denna hypotes. Vid låga temperaturer och i näringsfattiga kulturer, när tillväxthastigheten för bakterierna är låg och endast ett genom skulle kopieras åt gången, försvinner dessa fluktuationer i replikationshastigheten.
Intressant nog fann forskarna också att svängningarna som sågs för replikationshastighet också matchade svängningarna i mutationshastigheten som dokumenterats i andra studier. När de lade över de två mönstren fann de att områden av genomet som kopierades snabbare också hade en högre mutationshastighet.
"Det här verkar intuitivt - om vi tänker på en åtgärd, som att skriva på ett tangentbord, ju snabbare vi skriver, desto mer sannolikt att vi kommer att göra ett misstag", säger Prof. Pigolotti. "Så vi tror att när replisomerna går snabbare är deras felfrekvens högre."
För Prof. Pigolotti är nästa steg att bestämma hur replikationshastigheten förändras i muterade stammar av E. coli, till exempel de som saknar proteiner som hjälper till vid replikering. Han är också nyfiken på att se om mönstret håller i andra bakteriestammar.
"Det är en riktigt spännande forskningsinriktning", säger Prof. Pigolotti. "Och allt arbete gjordes i samarbete med andra enheter här. Det är den typen av tvärvetenskapligt samarbete som bara kan ske på OIST." + Utforska vidare
