Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Бактерия түрі
Species of bacterium
Caulobacter crescentus – тұщы су көлдері мен ағыстарында кең таралған, грам-теріс, олиготрофты бактерия. Бұл таксон Caulobacter vibrioides (Хенрици және Джонсон, 1935) деп дұрыс аталады. Оны үлгі ретінде пайдалануды даму биологы Люси Шапиро бастаған.
Caulobacter crescentus is a Gram negative, oligotrophic bacterium widely distributed in fresh water lakes and streams. The taxon is more properly known as Caulobacter vibrioides (Henrici and Johnson 1935). Its use as a model originated with developmental biologist Lucy Shapiro.
Шеттер
Зертханада зерттеушілер C. crescentus CB15 штаммын (алғашқыда тұщы сулы көлден оқшауланған штамм) және NA1000 (негізгі тәжірибелік штамм) ажыратады. 1970 жылдары CB15 штаммынан туындаған NA1000 штаммында сабақты және бөлінуге дайын жасушаларды зертханада жаңа, жылдам қозғалатын жасушалардан физикалық түрде бөлуге болады, ал CB15 штаммының жасуша түрлерін физикалық түрде бөлу мүмкін емес. Оқшауланған жылдам қозғалатын жасушаларды синхронды жасуша мәдениеті ретінде өсіруге болады. Осы жасушалардың жасуша циклы бойынша дамуының молекулалық аспектілерін егжей-тегжейлі зерттеу зерттеушілерге Caulobacter жасуша циклын толыққанды түсінуге мүмкіндік берді. Физикалық синхрондылыққа қол жеткізу мүмкіндігіне байланысты NA1000 штаммы бүкіл әлемде Caulobacter-дің басым тәжірибелік штаммына айналды. Зертханалық ортада NA1000 штаммына таңдау қысымын салу нәтижесінде екі штамм арасында қосымша фенотиптік айырмашылықтар жинақталды. Екі штамм арасындағы фенотиптік айырмашылықтардың генетикалық негізі бес хромосомалық локустағы кодтау, реттеу және енгізу/жою полиморфизмінен туындайды.
In the laboratory, researchers distinguish between C. crescentus strain CB15 (the strain originally isolated from a freshwater lake) and NA1000 (the primary experimental strain). In strain NA1000, which was derived from CB15 in the 1970s, the stalked and predivisional cells can be physically separated in the laboratory from new swarmer cells, while cell types from strain CB15 cannot be physically separated. The isolated swarmer cells can then be grown as a synchronized cell culture. Detailed study of the molecular development of these cells as they progress through the cell cycle has enabled researchers to understand Caulobacter cell cycle regulation in great detail. Due to this capacity to be physically synchronized, strain NA1000 has become the predominant experimental Caulobacter strain throughout the world. Additional phenotypic differences between the two strains have subsequently accumulated due to selective pressures on the NA1000 strain in the laboratory environment. The genetic basis of the phenotypic differences between the two strains results from coding, regulatory, and insertion/deletion polymorphisms at five chromosomal loci.
Геномдық
Caulobacter CB15 геномі бір дөңгелек хромосомада 4,016,942 негіз жұбынан тұрады және 3,767 генді кодтайды. Геномда қоректік заттар жетіспейтін ортада тіршілік ету үшін маңызды ақуыздарды кодтайтын бірнеше гендер шоғыры бар. Оларға хемотаксис, сыртқы мембрана арналарының функциясы, хош иісті сақиналы қосылыстардың ыдырауы және өсімдік тектес көміртек көздерінің ыдырауымен байланысты гендер кіреді, сонымен қатар көптеген экстрацитоплазмалық функциялы сигма факторлары бар, бұл организмге қоршаған ортаның кең ауқымды өзгерістеріне жауап беруге мүмкіндік береді. 2010 жылы Caulobacter NA1000 штаммы секвенирленді және CB15 "жабайы типті" штаммымен барлық айырмашылықтар анықталды.
The Caulobacter CB15 genome has 4,016,942 base pairs in a single circular chromosome encoding 3,767 genes. The genome contains multiple clusters of genes encoding proteins essential for survival in a nutrient poor habitat. Included are those involved in chemotaxis, outer membrane channel function, degradation of aromatic ring compounds, and the breakdown of plant derived carbon sources, in addition to many extracytoplasmic function sigma factors, providing the organism with the ability to respond to a wide range of environmental fluctuations. In 2010, the Caulobacter NA1000 strain was sequenced and all differences with the CB15 "wild type" strain were identified.
Ұялы жасушалар сатысының рөлі
Caulobacter сабақты жасуша кезеңі, жасушаны беттерге бекітіп, биожұқақтарды (biofilms) құру және/немесе қоректік заттарды пайдалану арқылы тіршілікке бейімделуде артықшылық береді. Әдетте, ең жылдам бөлінетін бактерия түрлері ресурстарды тиімді пайдаланып, экологиялық орталарды тиімді түрде иеленеді. Дегенмен, Caulobacter-дің қозғыш жасуша кезеңі популяцияның өсуін баяулатады. Қозғыш жасушаның мақсаты – жасушаның таралуын қамтамасыз ету, осылайша организм үнемі жаңа ортаны іздейді. Бұл, әсіресе, қоректік заттар өте тапшы ортада пайдалы болуы мүмкін, себебі қолда бар азық-түліктер тез сарқылуы мүмкін. Көптеген, тіпті көпшілігі қозғыш жасушалар өнімді ортаны таба алмайды, бірақ міндетті таралу кезеңі түрдің жалпы көбеюге қабілетін арттыруы керек.
The Caulobacter stalked cell stage provides a fitness advantage by anchoring the cell to surfaces to form biofilms and or to exploit nutrient sources. Generally, the bacterial species that divides fastest will be most effective at exploiting resources and effectively occupying ecological niches. Yet, Caulobacter has the swarmer cell stage that results in slower population growth. The swarmer cell is thought to provide cell dispersal, so that the organism constantly seeks out new environments. This may be particularly useful in severely nutrient limited environments when the scant resources available can be depleted very quickly. Many, perhaps most, of the swarmer daughter cells will not find a productive environment, but the obligate dispersal stage must increase the reproductive fitness of the species as a whole.
Жасушалық цикл
Каулобактер жасуша циклын реттеу жүйесі жасуша өсуі мен көбеюін ұйымдастыратын көптеген модульдік кіші жүйелерді басқарады. Биохимиялық және генетикалық логикалық тізбектерді пайдалана отырып құрылған бақылау жүйесі осы кіші жүйелердің әрқайсысының басталу уақытын реттейді. Жасуша циклын реттеудің орталық ерекшелігі – циклдік генетикалық тізбек, яғни жасуша циклының қозғалтқышы, ол бес бас реттеуші ақуыздың тікелей өзара әрекеттесуіне негізделген: DnaA, GcrA, CtrA, SciP және CcrM. Олардың рөлдерін Люси Шапиро мен Харли МакАдамс зертханалары анықтаған. Бұл бес ақуыз 200-ден астам геннің экспрессиясын тікелей бақылайды. Бас реттеуші бес ақуыз синтезделіп, содан кейін жасуша циклы барысында бірінен соң бірі жасушадан шығарылады. Бұл жасуша циклының қозғалтқышының дұрыс жұмыс істеуі үшін бірнеше қосымша жасушалық сигналдық жолдар да қажет. Бұл сигналдық жолдардың басты міндеті – жасуша циклының тиісті уақытында CtrA ақуызының сенімді өндірілуін және жойылуын қамтамасыз ету. Каулобактер жасуша циклының ерекшелігі – хромосоманың бір рет және тек бір рет жасуша циклы кезінде көшірілуі. Бұл E. coli жасуша циклынан өзгеше, онда хромосома көшіруінің бірнеше кезеңдері бір уақытта жүре алады. Каулобактер DnaA және CtrA ақуыздарының қарама-қарсы рөлдері Каулобактер хромосомасының көшіруін қатаң бақылау үшін маңызды. DnaA ақуызы хромосома көшіруін бастау үшін көшірудің бастапқы нүктесінде әрекет етеді. Ал CtrA ақуызы көшірудің басталуын тежейді, сондықтан хромосома көшіруі басталғанға дейін оны жасушадан жою қажет. Жасуша циклын реттеуге қатысатын және фосфосигналдық жолдар мен ақуыз протеолизінің реттелген бақылауын қамтитын бірнеше қосымша реттеуші жолдар DnaA және CtrA ақуыздарының жасушада қажет болған кезде ғана болуын қамтамасыз етеді. Жасуша циклының қозғалтқышындағы ақуыздар белсендіретін әрбір процесс көптеген реакциялардың тізбегін қамтиды. Ең ұзақ жүйелік тізбек – ДНК көшіру. Каулобактер жасушаларында хромосома көшіруі хромосоманың әрбір тармағы үшін шамамен 2 миллион ДНК синтез реакциясын қамтиды, бұл жағдайларға байланысты 40-80 минутқа созылады. Әрбір жеке синтез реакциясының орташа уақытын хромосоманы көшіруге кеткен жалпы орташа уақыттан бағалауға болады, бірақ әрбір реакцияның нақты уақыты орташа жылдамдықтан айтарлықтай өзгеше болуы мүмкін. Бұл хромосоманың толық көшіруін аяқтау үшін маңызды және болдырмауға болмайтын жасушалар арасындағы уақыттың өзгеруіне әкеледі. Барлық басқа жүйелік реакция тізбектерінің прогрессия жылдамдығында да ұқсас кездейсоқ ауытқулар бар. Нәтижесінде жасуша циклын аяқтау уақыты популяциядағы жасушалар арасында, тіпті олардың барлығы бірдей ортада өскенде де, айтарлықтай өзгереді. Жасуша циклын реттеу кері байланыс сигналдарын қамтиды, бұл жасуша циклының қозғалтқышының прогресін әрбір жасушадағы реттеуші кіші жүйелердегі оқиғалардың прогресіне сәйкес етуіне мүмкіндік береді. Бұл басқару жүйесінің ұйымдастырылуы, бақылаушымен (жасуша циклының қозғалтқышы) күрделі жүйені басқару және басқарылатын жүйеден кері байланыс сигналдары арқылы модуляциялау жабық циклдік басқару жүйесін құрайды. Жасуша циклының прогрессиясы қоршаған ортаның жағдайын (мысалы, қоректік заттар мен оттегі деңгейін) немесе жасушаның ішкі жағдайын (мысалы, ДНК зақымдануының болуын) бақылайтын жасушалық сенсорлардан түсетін қосымша сигналдармен де реттеледі.
The Caulobacter cell cycle regulatory system controls many modular subsystems that organize the progression of cell growth and reproduction. A control system constructed using biochemical and genetic logic circuitry organizes the timing of initiation of each of these subsystems. The central feature of the cell cycle regulation is a cyclical genetic circuit—a cell cycle engine—that is centered around the successive interactions of five master regulatory proteins: DnaA, GcrA, CtrA, SciP, and CcrM whose roles were worked out by the laboratories of Lucy Shapiro and Harley McAdams. These five proteins directly control the timing of expression of over 200 genes. The five master regulatory proteins are synthesized and then eliminated from the cell one after the other over the course of the cell cycle. Several additional cell signaling pathways are also essential to the proper functioning of this cell cycle engine. The principal role of these signaling pathways is to ensure reliable production and elimination of the CtrA protein from the cell at just the right times in the cell cycle. An essential feature of the Caulobacter cell cycle is that the chromosome is replicated once and only once per cell cycle. This is in contrast to the E. coli cell cycle where there can be overlapping rounds of chromosome replication simultaneously underway. The opposing roles of the Caulobacter DnaA and CtrA proteins are essential to the tight control of Caulobacter chromosome replication. The DnaA protein acts at the origin of replication to initiate the replication of the chromosome. The CtrA protein, in contrast, acts to block initiation of replication, so it must be removed from the cell before chromosome replication can begin. Multiple additional regulatory pathways integral to cell cycle regulation and involving both phospho signaling pathways and regulated control of protein proteolysis act to assure that DnaA and CtrA are present in the cell just exactly when needed. Each process activated by the proteins of the cell cycle engine involve a cascade of many reactions. The longest subsystem cascade is DNA replication. In Caulobacter cells, replication of the chromosome involves about 2 million DNA synthesis reactions for each arm of the chromosome over 40 to 80 min depending on conditions. While the average time for each individual synthesis reaction can be estimated from the observed average total time to replicate the chromosome, the actual reaction time for each reaction varies widely around the average rate. This leads to a significant and inevitable cell to cell variation time to complete replication of the chromosome. There is similar random variation in the rates of progression of all the other subsystem reaction cascades. The net effect is that the time to complete the cell cycle varies widely over the cells in a population even when they all are growing in identical environmental conditions. Cell cycle regulation includes feedback signals that pace progression of the cell cycle engine to match progress of events at the regulatory subsystem level in each particular cell. This control system organization, with a controller (the cell cycle engine) driving a complex system, with modulation by feedback signals from the controlled system creates a closed loop control system. The rate of progression of the cell cycle is further adjusted by additional signals arising from cellular sensors that monitor environmental conditions (for example, nutrient levels and the oxygen level) or the internal cell status (for example, presence of DNA damage).
Ұяшық циклын басқару жүйесінің эволюциялық сақталуы
Каулобактер жасуша циклінің дамуын бағыттайтын және реттейтін басқару тізбегі бүкіл жасушаның біртұтас жүйе ретінде жұмыс істеуін қамтамасыз етеді. Басқару тізбегі жасушаның топологиясын қоса алғанда, қоршаған ортаны және жасушаның ішкі жағдайын қадағалайды, жасуша циклінің ішкі жүйелерін және Caulobacter crescentus асимметриялық жасушалық бөлінуін үйлестіреді. Каулобактер жасуша циклін басқару жүйесінің ақуыздары мен оның ішкі құрылымы көптеген альфапротеобактериялардың арасында сақталады, бірақ реттеуші аппараттың қызметі мен басқа жасушалық жүйелермен байланысы түрлер арасында айқын ерекшеленеді. Каулобактер жасуша циклін басқару жүйесі эволюциялық таңдау арқылы ішкі кездейсоқ шу мен қоршаған ортаның белгісіздігіне қарамастан, тұрақты жұмыс істеу үшін толыққанды жүйе ретінде жақсырақ оңтайландырылған. Бактериялық жасушаның басқару жүйесі иерархиялық түрде ұйымдастырылған. Сигнал беру және басқару жүйесі жасуша бетінде орналасқан сезімтал модульдер арқылы қоршаған ортамен байланысады. Генетикалық желі логикасы қоршаған ортадан және жасушаның ішкі жағдайын бақылайтын сенсорлардан түскен сигналдарға жауап береді, жасушаны қазіргі жағдайға бейімдейді. Жоғары деңгейдегі басқарудың басты міндеті – жасуша цикліне қатысты операциялардың дұрыс уақыт ретімен орындалуын қамтамасыз ету. Каулобактерде бұл бес бас реттеуші және олармен байланысты фосфосигналдық желіден тұратын генетикалық реттеуші тізбек арқылы жүзеге асырылады. Фосфосигналдық желі жасуша циклінің дамуын бақылайды және асимметриялық жасушалық бөлінуді жүзеге асыруда маңызды рөл атқарады. Жасуша циклін басқару жүйесі хромосомалық репликацияның және цитокинездің басталу уақытын және орнын, сондай-ақ полярлы органеллалардың дамуын басқарады. Осы операциялардың барлығының негізінде ақуыздар мен құрылымдық компоненттерді өндіру және энергия өндіру механизмдері жатыр. "Тұрмыстық" метаболикалық және катаболикалық жүйелер ақуыз синтезі, жасуша қабырғасын құру және жасушаның басқа да операциялары үшін энергия мен молекулалық шикізатты қамтамасыз етеді. Тұрмыстық функциялар жасуша циклін басқару жүйесімен екі жақты байланыста болады. Дегенмен, олар жасуша циклінің басқару логикасынан тәуелсіз, қолда бар қоректік заттардың құрамы мен деңгейіне бейімделе алады. Каулобактер жасуша циклін басқару жүйесінің ақуыздары альфапротеобактериялардың арасында кеңінен сақталады, бірақ осы реттеу жүйесінің соңғы қызметі әртүрлі түрлерде әртүрлі болады. Бұл эволюциялық өзгерістер жеке түрлердің тіршілік ету стратегиясы мен экологиялық орталары арасындағы айқын айырмашылықтарды көрсетеді. Мысалы, Agrobacterium tumefaciens – өсімдік патогені, Brucella abortus – жануарлар патогені, ал Sinorhizobium meliloti – өсімдік тамыр түйіндеріне еніп, азотты бекітетін симбионт болып табылатын топырақ бактериясы, бірақ Каулобактер жасуша циклін басқарудың көптеген ақуыздары осы түрлерде де кездеседі. Жасуша циклін басқару желісінің ақуыз компоненттері мен тізбектің төменгі ағынындағы нәтижелер арасындағы нақты байланыс түрлерге байланысты өзгереді. Желілік схеманың ішкі функционалдылығы сақталады, бірақ реттеуші аппараттың "шеттері" мен белгілі бір жасушалық функцияларды басқаратын ақуыздарға байланысы әртүрлі түрлерде кеңінен өзгереді.
The control circuitry that directs and paces Caulobacter cell cycle progression involves the entire cell operating as an integrated system. The control circuitry monitors the environment and the internal state of the cell, including the cell topology, as it orchestrates activation of cell cycle subsystems and Caulobacter crescentus asymmetric cell division. The proteins of the Caulobacter cell cycle control system and its internal organization are co conserved across many alphaproteobacteria species, but there are great differences in the regulatory apparatus' functionality and peripheral connectivity to other cellular subsystems from species to species. The Caulobacter cell cycle control system has been exquisitely optimized by evolutionary selection as a total system for robust operation in the face of internal stochastic noise and environmental uncertainty. The bacterial cell's control system has a hierarchical organization. The signaling and the control subsystem interfaces with the environment by means of sensory modules largely located on the cell surface. The genetic network logic responds to signals received from the environment and from internal cell status sensors to adapt the cell to current conditions. A major function of the top level control is to ensure that the operations involved in the cell cycle occur in the proper temporal order. In Caulobacter, this is accomplished by the genetic regulatory circuit composed of five master regulators and an associated phospho signaling network. The phosphosignaling network monitors the state of progression of the cell cycle and plays an essential role in accomplishing asymmetric cell division. The cell cycle control system manages the time and place of the initiation of chromosome replication and cytokinesis as well as the development of polar organelles. Underlying all these operations are the mechanisms for production of protein and structural components and energy production. The “housekeeping” metabolic and catabolic subsystems provide the energy and the molecular raw materials for protein synthesis, cell wall construction and other operations of the cell. The housekeeping functions are coupled bidirectionally to the cell cycle control system. However, they can adapt, somewhat independently of the cell cycle control logic, to changing composition and levels of the available nutrient sources. The proteins of the Caulobacter cell cycle control system are widely co conserved across the alphaproteobacteria, but the ultimate function of this regulatory system varies widely in different species. These evolutionary changes reflect enormous differences between the individual species in fitness strategies and ecological niches. For example, Agrobacterium tumefaciens is a plant pathogen, Brucella abortus is an animal pathogen, and Sinorhizobium meliloti is a soil bacterium that invades, and becomes a symbiont in, plant root nodules that fix nitrogen yet most of the proteins of the Caulobacter cell cycle control are also found in these species. The specific coupling between the protein components of the cell cycle control network and the downstream readout of the circuit differ from species to species. The pattern is that the internal functionality of the network circuitry is conserved, but the coupling at the “edges” of the regulatory apparatus to the proteins controlling specific cellular functions differs widely among the different species.
Caulobacter crescentus – сабақ құрылымына ие бактериялар тобының мүшесі, бұл клеткалық дененің түтікшелі жалғасы. Дегенмен, сабақтың орналасуы әртүрлі жақын туысқан түрлерде клеткалық дененің полюсінде міндетті түрде сақталмайды. Атап айтқанда, зерттеулер сабақтың орны ғана емес, сонымен қатар тығыз байланысты Asticcacaulis туысында да саны өзгеріп отыруы мүмкін екенін көрсетті. Caulobacter crescentus-та полярлық локализацияланған SpmX ақуызы осы Asticcacaulis түрлерінде сабақтың орналасуын өзгерте алады. C. crescentus-тағы эксперименталды эволюциялық зерттеулер негізінде, Аккерманн және басқалар.
Caulobacter crescentus is a member of a group of bacteria that possess the stalk structure, a tubular extension from the cell body. However, the positioning of the stalk is not necessarily conserved at the pole of the cell body in different closely related species. Specifically, research has shown that not only the position of the stalk can change, but the number can vary as well in the closely related genus Asticcacaulis. SpmX, a polarly localized protein in Caulobacter crescentus, has been shown to manipulate stalk positioning in these Asticcacaulis species. On the basis of experimental evolution studies in C. crescentus, Ackermann et al.
Ұяшықтың полярлығын реттеу
C. crescentus-та жасушалық полярлық полярлық органельдердің құралуы және бөліну жазықтығының полярлануы арқылы анық көрінеді, нәтижесінде сабақты ұрпақтар, қозғалмалы ұрпақтардан ұзақ болады. Бөліну кезінде жаңа жасушалық полюстердің пайда болуы, жасушалық полярлықтың сабақты ұрпақта қайта орнатылуын және қозғалмалы ұрпақта кері қайтарылуын білдіреді. C. crescentus тіршілік циклын TipN сияқты жасуша циклының ақуызы реттейді. Йель университетінің деректері TipN поляритет осінің бағытын реттейтін модельді күшті түрде қолдайды, бұл алдыңғы жасуша циклынан позициялық сигнал береді. Бұл модельде TipN жаңа полюсті анықтау арқылы соңғы бөліну орнын анықтайды. Жасуша осы позициялық ақпаратты полярлық морфогенез және бөліну үшін өте маңызды поляритет осінің бағытын орнату және сақтау үшін жасушаішілік асимметрияның көзі ретінде пайдаланады. Бөліну циклының соңында пайда болатын жаңа полюстерге TipN-ді тарту, полюстердің идентификациясын қайта анықтайды және болашақ екі қыз жасушада да дұрыс полярлықты қалпына келтіреді (қозғалмалы жасушада полярлықтың кері айналуымен). TipN N-терминалды аймақта екі трансмембраналық аймаққа және үлкен C-терминалды спираль тәрізді доменге ие. TipN гомологтары басқа альфа-протеобактерияларда кездеседі. TipN екі қыз жасушаның да жаңа полюсіне бөлінуден кейін орналасады және соңғы бөлінуге дайындалып жатқан жасушадағы жасушалық бөліну орнына қайта орналасады. Сондықтан, екі қыз жасушада да бөлінуден кейін жаңа полюсте TipN болады. TipN жетіспейтін мутанттар даму кезінде қателіктер жасайды. Жасушаның дұрыс полюсінде бір флагеллумның орнына, тіпті сабақта да, әртүрлі жерлерде бірнеше флагеллум пайда болады.
In C. crescentus, cell polarity is readily apparent by the assembly of polar organelles and by the polarization of the division plane, which results in the generation of stalked progeny that are longer than swarmer progeny. The formation of new cell poles at division implies that cell polarity must be re established in the stalked progeny and reversed in the swarmer progeny. The C. crescentus life cycle is governed by regulators such as TipN, a cell cycle protein. Yale University's data strongly suggest a model in which TipN regulates the orientation of the polarity axis by providing a positional cue from the preceding cell cycle. In this model TipN specifies the site of the most recent division by identifying the new pole. The cell uses this positional information as a source of intracellular asymmetry to establish and maintain the orientation of the polarity axis, which is crucial for polar morphogenesis and division. Recruitment of TipN to the nascent poles at the end of the division cycle redefines the identity of the poles and resets the correct polarity in both future daughter cells (with a polarity reversal in the swarmer cell). TipN has two transmembrane regions in the N terminal region and a large C terminal coiled coil domain. TipN homologues are present in other alpha proteobacteria. TipN localizes to the new pole in both daughter cells after division and relocalizes to the cell division site in the late predivisional cell. Therefore, both daughter cells have TipN at the new pole after division. Mutants lacking TipN make serious mistakes in development. Instead of making a single flagellum at the correct cell pole , the cell makes multiple flagella at various locations, even on the stalk.