在孢子形成的細菌，基因染色體位置是DNA復制周期的關鍵，在一個千載難逢的機會發(fā)現(xiàn)是否要復制由孢子的形式?jīng)Q定。新發(fā)現(xiàn)由萊斯大學生物工程師和他的同事發(fā)現(xiàn)，在加利福尼亞州的休斯頓大學的大學圣迭戈分校，并在本周出現(xiàn)在細胞雜志上。

 

像大多數(shù)微生物一樣，枯草芽孢桿菌的細菌是單細胞生物:通過自身的分裂復制。但是，生存并不總是那么簡單。例如，當食物變得稀少，枯草必須在兩種可能的路徑之間的決定：關閉，形成所謂的“孢子”休眠孢子的過程-和等待更好的時間或分裂成兩個細胞和賭有足夠的食物給下一代。

“關于是否形成孢子，對枯草芽孢桿菌是一個非常重要的決定，“Oleg Igoshin，生物工程副教授Rice和新的研究的首席研究人員之一說。“如果機體等待太長時間，它可能餓死之前它完成轉(zhuǎn)化成孢子，如果太早的行為，并形成孢子太快，它可能被淹沒在出現(xiàn)的競爭對手上。”

 

Igoshin實驗室專門描述了細胞利用做出這樣的決定調(diào)控復雜遺傳的網(wǎng)絡。他說，許多研究在過去25年里已經(jīng)確定了30多個基因網(wǎng)絡. 

枯草芽孢桿菌是對人體無害的，但有些危險的細菌像炭疽桿菌，引起炭疽的生物體，還形成孢子通過類似的機制?？茖W家們都熱衷于更好地理解這一過程，既保護公眾健康，并探索復雜的遺傳過程的演變。

 

孢子形成網(wǎng)絡的確切運作是復雜的。2012年，Igoshin和研究生Jatin Narula分析了被稱為Spo0A，在“孢子主調(diào)節(jié)器，”解釋如何在網(wǎng)絡過濾掉Spo0A活動嘈雜波動。通過濾除噪聲，細胞能夠準確地確定是否Spo0A活動高于觸發(fā)孢子形成的閾值。

 

“成功孢子形成需要細菌染色體的兩個完整的拷貝，所以孢子形成的決定，并在完成DNA復制之間的協(xié)調(diào)是非常重要的，”Narula所述。“一個很好的比喻可能是一個學期的課程在生物學，經(jīng)驗都在一個特定的順序，和學生進行了測試，他們學習的。”

Igoshin說，當研究人員開始尋找孢子如何決定是定時細胞周期，一些研究，包括團隊成員先前的工作，提供了一個顯著的線索：在饑餓條件下，主控調(diào)節(jié)基因的活性已被證明。

 

在研究如何發(fā)生的這種調(diào)節(jié)，Narula通過鉆研幾十發(fā)表的研究報告，發(fā)現(xiàn)一些實驗結(jié)果之間以及和差異的相互作用的兩個關鍵細胞之間的孢子網(wǎng)絡廣泛接受的觀點，一種叫做Spo0F蛋白質(zhì)被稱為基那激酶。要解決這個矛盾，Narula內(nèi)置其中超額Spo0F抑制基那活動的數(shù)學模型。新的模型表明，改變基那對Spo0F的比率可以產(chǎn)生相似，看到實驗的脈沖。

“基那由0F導致抑制負反饋環(huán) “，這意味著輸出工作，以抵消觸發(fā)它的輸入端，”Narula，研究的共同主要作者。“這樣的循環(huán)是在工程和生物系統(tǒng)常見，平時的工作讓事情變得相對穩(wěn)定，盡管外部擾動。一個簡單的例子就是對你的房子溫控，當溫度下降，將讓您的熱水器打開，直到溫度又回來了到正常狀態(tài)。如果是在反饋環(huán)路中的延遲時，系統(tǒng)可能會過度反應并產(chǎn)生浪涌。隨著恒溫器，例如，如果加熱單元繼續(xù)運行所需的溫度一段時間后達到的溫度可以瞬時沉降回至所水平之前的尖峰“。

 

Igoshin和Narula所述類似尖峰似乎是控制該有源Spo0A的量的網(wǎng)絡中的延遲的負反饋回路的結(jié)果。此外，基于對細菌基因組的基那和Spo0F基因的位置，進行計時。

分裂和繁殖，細菌必須使用自己的DNA的副本。由于圓形細菌DNA的復制總是啟動在一個特定點，Narula推測的基那和Spo0F基因的位置可能是至關重要的。如果一個被位于附近的點的DNA復制開始后，細胞將包含該基因加倍生產(chǎn)該的速率蛋白質(zhì)在整個DNA復制期間的兩個副本。如果其它基因分別位于該最后復制的圓的一部分，基那對Spo0F比率將是一對一的，只有當DNA復制基本完成。

 

Igoshin和Narula所使用的網(wǎng)絡的一個數(shù)學模型，以表示這個型基因排列的可每輪DNA復制后在Spo0A活動占尖峰。為了驗證自己的想法，他們聯(lián)手與實驗生物學家安娜Kuchina，該研究的共同第一作者，和GürolSüel，聯(lián)合首席研究員，美國加州兩者的大學圣地亞哥分校的。

實驗表明，Spo0A活動的尖峰始終遵循DNA復制完成作為模型預測。此外，Kuchina和他的同事用生物技術來設計的突變形式B. 枯草其中兩個關鍵基因分別位于彼此接近。從延遲的負反饋回路的Spo0A穗未在突變體觀察到的，并且它們沒有產(chǎn)生孢子。在另一工程菌，在反饋回路 Spo0A和Spo0F之間被淘汰出局。這導致在Spo0A活動逐漸增加，而不是一個尖峰，而這種細胞幾次失敗的可能性較大，或孢子中死亡。

 

“我們發(fā)現(xiàn)，在DNA圓圈孢子形成基因的相對位置均在30余種孢子形成的細菌，其中包括類似炭疽桿菌，“Igoshin說。“這一證據(jù)表明該DNA定時機構是高度保守的，并且有可能是相關的其它時間關鍵功能的細胞周期可以以類似的方式進行調(diào)節(jié)。“

ps:相關產(chǎn)品:過表達細胞裂解物