Caulobacter crescentus — грамотрицательная олиготрофная бактерия ,широко распространенная в пресноводных озерах и ручьях. Этот таксон более известен как Caulobacter vibrioides (Henrici and Johnson, 1935). [1]
C. crescentus — важный модельный организм для изучения регуляции клеточного цикла , асимметричного клеточного деления и клеточной дифференцировки . Дочерние клетки Caulobacter имеют две совершенно разные формы. Одна дочерняя клетка представляет собой мобильную «роющуюся» клетку, имеющую единственный жгутик на одном полюсе клетки, обеспечивающий плавательную подвижность для хемотаксиса . Другая дочерняя клетка, называемая «клеткой со стеблем», имеет трубчатую структуру стебля, выступающую из одного полюса, на конце которой имеется клейкий материал, с помощью которого клетка со стеблем может прикрепляться к поверхностям. Клетки-роевики дифференцируются в клетки со стебельками после короткого периода подвижности. Репликация хромосом и деление клеток происходят только на стадии стебельчатой клетки.
C. crescentus получил свое название от своей серповидной формы, обусловленной белком кресцентином . Это интересный организм для изучения, поскольку он обитает в водной среде с низким содержанием питательных веществ. Их способности процветать при низких уровнях питательных веществ способствует диморфный цикл развития. Клетка роя имеет жгутик, который выступает из одного полюса и не может инициировать репликацию ДНК, если не дифференцируется в клетку на ножке. Процесс дифференцировки включает морфологический переход, характеризующийся выбросом жгутика и ростом стебля на том же полюсе. Стебельчатые клетки могут удлиняться и реплицировать свою ДНК, одновременно выращивая жгутик на противоположном полюсе, давая начало клеткам, которые не делятся. Хотя точная функция стеблей все еще исследуется, вполне вероятно, что стебли участвуют в поглощении питательных веществ в условиях ограниченного количества питательных веществ. [2] Его использование в качестве модели было предложено биологом развития Люси Шапиро . [3] [4]
В лаборатории исследователи различают штамм C. crescentus CB15 (штамм, первоначально выделенный из пресноводного озера) и NA1000 (основной экспериментальный штамм). У штамма NA1000, который был получен из CB15 в 1970-х годах [5] , стебельковые и предделительные клетки можно физически отделить в лаборатории от новых клеток-роевиков, тогда как типы клеток из штамма CB15 невозможно физически разделить. Выделенные роевые клетки затем можно выращивать как синхронизированную клеточную культуру. Детальное изучение молекулярного развития этих клеток по мере их прохождения через клеточный цикл позволило исследователям очень подробно понять регуляцию клеточного цикла Caulobacter . Благодаря своей способности к физической синхронизации штамм NA1000 стал преобладающим экспериментальным штаммом Caulobacter во всем мире. Дополнительные фенотипические различия между двумя штаммами впоследствии накопились из-за селективного давления на штамм NA1000 в лабораторных условиях. Генетическая основа фенотипических различий между двумя штаммами обусловлена кодирующим, регуляторным и инсерционно-делеционным полиморфизмом в пяти хромосомных локусах. [6] C. crescentus является синонимом Caulobacter vibrioides . [1]
Геном Caulobacter CB15 имеет 4 016 942 пары оснований в одной кольцевой хромосоме, кодирующей 3767 генов. [7] Геном содержит множество кластеров генов, кодирующих белки, необходимые для выживания в среде с низким содержанием питательных веществ. В их число входят факторы, участвующие в хемотаксисе, функции внешних мембранных каналов, деградации соединений ароматического кольца и расщеплении источников углерода растительного происхождения, а также многие сигма-факторы экстрацитоплазматической функции, обеспечивающие организму способность реагировать на широкий спектр колебания окружающей среды. В 2010 году штамм Caulobacter NA1000 был секвенирован и выявлены все различия со штаммом CB15 «дикого типа». [6]
Стадия стебельчатых клеток Caulobacter обеспечивает преимущество в приспособленности , прикрепляя клетку к поверхностям для образования биопленок или использования источников питательных веществ. Как правило, виды бактерий, которые делятся быстрее всего, будут наиболее эффективно эксплуатировать ресурсы и эффективно занимать экологические ниши. Тем не менее, Caulobacter имеет стадию роящихся клеток, что приводит к замедлению роста популяции. Считается, что роющаяся клетка обеспечивает рассредоточение клеток, поэтому организм постоянно ищет новую среду. Это может быть особенно полезно в условиях сильного дефицита питательных веществ, когда имеющиеся скудные ресурсы могут быть истощены очень быстро. Многие, а возможно, и большинство дочерних клеток роящихся не найдут продуктивной среды, но стадия облигатного расселения должна повысить репродуктивную приспособленность вида в целом.
Система регуляции клеточного цикла Caulobacter контролирует множество модульных подсистем, которые организуют рост и размножение клеток. Система управления , построенная с использованием биохимических и генетических логических схем, определяет время запуска каждой из этих подсистем. Центральной особенностью регуляции клеточного цикла является циклическая генетическая цепь — двигатель клеточного цикла, — которая сосредоточена вокруг последовательных взаимодействий пяти главных регуляторных белков: DnaA, GcrA, CtrA, SciP и CcrM, роль которых была разработана лабораториями. Люси Шапиро и Харли Макадамс . [8] [9] [10] Эти пять белков напрямую контролируют время экспрессии более 200 генов. Пять главных регуляторных белков синтезируются, а затем выводятся из клетки один за другим в течение клеточного цикла. Несколько дополнительных клеточных сигнальных путей также важны для правильного функционирования этого механизма клеточного цикла. Основная роль этих сигнальных путей заключается в обеспечении надежного производства и удаления белка CtrA из клетки в нужные моменты клеточного цикла.
Существенной особенностью клеточного цикла Caulobacter является то, что хромосома реплицируется один и только один раз за клеточный цикл. Это контрастирует с клеточным циклом E. coli , где одновременно могут происходить перекрывающиеся циклы репликации хромосом. Противоположные роли белков Caulobacter DnaA и CtrA необходимы для жесткого контроля репликации хромосом Caulobacter . [11] Белок DnaA действует в начале репликации , инициируя репликацию хромосомы. Белок CtrA, напротив, блокирует инициацию репликации, поэтому его необходимо удалить из клетки, прежде чем начнется репликация хромосом. Множество дополнительных регуляторных путей, являющихся неотъемлемой частью регуляции клеточного цикла и включающих как фосфосигнальные пути, так и регулируемый контроль протеолиза белков [12], обеспечивают присутствие DnaA и CtrA в клетке именно тогда, когда это необходимо.
Каждый процесс, активируемый белками двигателя клеточного цикла, включает в себя каскад множества реакций. Самый длинный каскад подсистем — репликация ДНК. В клетках Caulobacter репликация хромосомы включает около 2 миллионов реакций синтеза ДНК для каждого плеча хромосомы в течение 40–80 минут в зависимости от условий. Хотя среднее время каждой отдельной реакции синтеза можно оценить по наблюдаемому среднему общему времени репликации хромосомы, фактическое время реакции для каждой реакции широко варьируется в пределах средней скорости. Это приводит к значительному и неизбежному изменению времени от клетки к клетке для завершения репликации хромосомы. Аналогичные случайные изменения наблюдаются и в скорости развития всех других каскадов реакций подсистем. Конечный эффект заключается в том, что время завершения клеточного цикла широко варьируется в зависимости от клеток в популяции, даже если все они растут в одинаковых условиях окружающей среды. Регуляция клеточного цикла включает в себя сигналы обратной связи , которые ускоряют развитие механизма клеточного цикла, чтобы соответствовать прогрессу событий на уровне регуляторной подсистемы в каждой конкретной клетке. Такая организация системы управления с контроллером (двигателем клеточного цикла), приводящим в движение сложную систему, с модуляцией сигналами обратной связи от управляемой системы, создает систему управления с замкнутым контуром.
Скорость развития клеточного цикла дополнительно регулируется дополнительными сигналами, исходящими от клеточных сенсоров, которые контролируют условия окружающей среды (например, уровень питательных веществ и уровень кислорода) или внутреннее состояние клетки (например, наличие повреждения ДНК). [13]
Схема управления, которая направляет и ускоряет развитие клеточного цикла Caulobacter, включает в себя всю клетку, работающую как интегрированную систему. Схема управления контролирует окружающую среду и внутреннее состояние клетки, включая топологию клетки, поскольку она организует активацию подсистем клеточного цикла и асимметричное деление клеток Caulobacter crescentus . Белки системы контроля клеточного цикла Caulobacter и ее внутренняя организация совместно консервативны у многих видов альфапротеобактерий, но существуют большие различия в функциональности регуляторного аппарата и периферических связях с другими клеточными подсистемами от вида к виду. [14] [15] Система контроля клеточного цикла Caulobacter была тщательно оптимизирована путем эволюционного отбора как целостная система для надежной работы в условиях внутреннего стохастического шума и неопределенности окружающей среды.
Система управления бактериальной клеткой имеет иерархическую организацию. [16] Подсистема сигнализации и управления взаимодействует с окружающей средой посредством сенсорных модулей, в основном расположенных на поверхности клетки. Логика генетической сети реагирует на сигналы, получаемые из окружающей среды и от внутренних датчиков состояния клетки, чтобы адаптировать клетку к текущим условиям. Основная функция контроля верхнего уровня — гарантировать, что операции, участвующие в клеточном цикле, происходят в правильном временном порядке. У Caulobacter это осуществляется с помощью генетической регуляторной цепи, состоящей из пяти главных регуляторов и связанной с ними фосфосигнальной сети. Сеть фосфосигнализации контролирует состояние клеточного цикла и играет важную роль в осуществлении асимметричного деления клеток. Система контроля клеточного цикла управляет временем и местом начала репликации хромосом и цитокинеза , а также развитием полярных органелл . В основе всех этих операций лежат механизмы производства белковых и структурных компонентов и производства энергии. Метаболическая и катаболическая подсистемы «домашнего хозяйства» обеспечивают энергию и молекулярное сырье для синтеза белка, строительства клеточной стенки и других операций клетки. Хозяйственные функции двунаправленно связаны с системой управления клеточным циклом. Однако они могут адаптироваться, в некоторой степени независимо от логики управления клеточным циклом, к изменению состава и уровней доступных источников питательных веществ.
Белки системы контроля клеточного цикла Caulobacter широко консервативны среди альфа-протеобактерий, но конечная функция этой регуляторной системы широко варьируется у разных видов. Эти эволюционные изменения отражают огромные различия между отдельными видами в стратегиях приспособленности и экологических нишах. Например, Agrobacterium tumefaciens — патоген растений, Brucella abortus — патоген животных, а Sinorhizobium meliloti — почвенная бактерия, которая проникает в корневые клубеньки растений и становится симбионтом в них, фиксируя азот, но при этом большинство белков контролируют клеточный цикл Caulobacter. встречаются и у этих видов. Специфическая связь между белковыми компонентами сети контроля клеточного цикла и последующими считываниями схемы различается от вида к виду. Закономерность такова, что внутренняя функциональность сетевых схем сохраняется, но взаимодействие на «краях» регуляторного аппарата с белками, контролирующими специфические клеточные функции, сильно различается у разных видов.
Caulobacter crescentus — представитель группы бактерий, обладающих стебельчатой структурой — трубчатым продолжением тела клетки. Однако положение ножки не обязательно сохраняется на полюсе тела клетки у разных близкородственных видов. В частности, исследования показали, что у близкородственного рода Asticcacaulis может меняться не только положение стебля, но и их количество . [17] [18] Было показано, что SpmX, полярно локализованный белок Caulobacter crescentus, манипулирует положением стебля у этих видов Asticcacaulis . [17] Предположительно, это происходит за счет увеличения функции после расширения белка с примерно 400 аминокислот у Caulobacter crescentus до более чем 800 аминокислот у видов Asticcacaulis .
Caulobacter была первой асимметричной бактерией, способной стареть. Репродуктивное старение измерялось как уменьшение количества потомства, производимого с течением времени. [19] [20] На основании экспериментальных исследований эволюции C. crescentus , Ackermann et al. [19] предположили, что старение, вероятно, является фундаментальным свойством всех клеточных организмов. Подобное явление с тех пор было описано у бактерии Escherichia coli , которая дает начало морфологически сходным дочерним клеткам. [21]
У C. crescentus полярность клеток легко очевидна по сборке полярных органелл и по поляризации плоскости деления, что приводит к образованию стебельчатого потомства, которое длиннее, чем потомство роя. Формирование новых клеточных полюсов при делении означает, что полярность клеток должна быть восстановлена у стебельчатого потомства и изменена на обратную у роевого потомства. [22]
Жизненный цикл C. crescentus регулируется такими регуляторами, как TipN , белок клеточного цикла. Данные Йельского университета убедительно свидетельствуют о модели, в которой TipN регулирует ориентацию оси полярности, предоставляя позиционный сигнал из предыдущего клеточного цикла. В этой модели TipN определяет место последнего деления, определяя новый полюс. Клетка использует эту позиционную информацию как источник внутриклеточной асимметрии для установления и поддержания ориентации оси полярности, которая имеет решающее значение для полярного морфогенеза и деления. Привлечение TipN к возникающим полюсам в конце цикла деления переопределяет идентичность полюсов и сбрасывает правильную полярность в обеих будущих дочерних клетках (с изменением полярности в роющей клетке). [22] Регулируемый клеточным циклом синтез и удаление этих полярно локализованных структур предоставили богатую площадку для идентификации ориентирных белков, важных для их правильной локализации. [23] TipN имеет две трансмембранные области в N-концевой области и большой С-концевой спиральный домен. Гомологи TipN присутствуют и в других альфа-протеобактериях. TipN локализуется на новом полюсе в обеих дочерних клетках после деления и перемещается в место клеточного деления в поздней предделительной клетке. Следовательно, обе дочерние клетки после деления имеют TipN на новом полюсе. [23]
Ориентирный белок TipN необходим для правильного размещения жгутика. [24] Мутанты, у которых отсутствует TipN, допускают серьезные ошибки в развитии. Вместо того, чтобы формировать один жгутик на правильном полюсе клетки, клетка образует несколько жгутиков в разных местах, даже на стебле. [22]
В развитии клеток участвует множество таких белков, работающих вместе. На рис. №1 показано, как TipN взаимодействует с двумя другими полярными белками: жгутиковым маркером PodJ и маркером стебля DivJ. [25]
{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )