Caulobacter crescentus - Caulobacter crescentus

Caulobacter crescentus
Caulobacter crescentus.jpg
Научная классификация
Королевство:
Бактерии
Тип:
Протеобактерии
Учебный класс:
Альфа-протеобактерии
Заказ:
Caulobacterales
Семья:
Caulobacteraceae
Род:
Caulobacter
Разновидность:
C. crescentus
Биномиальное имя
Caulobacter crescentus
Пойндекстер 1964

Caulobacter crescentus это Грамотрицательный, олиготрофный бактерия Широко распространен в пресноводных озерах и ручьях. Таксон более правильно известен как Caulobacter vibrioides (Хенрици и Джонсон, 1935).[1]

Caulobacter является важным модельным организмом для изучения регуляции клеточный цикл, асимметричное деление клеток, и клеточная дифференциация. Caulobacter дочерние клетки имеют две очень разные формы. Одна дочь представляет собой мобильную "роевую" ячейку с одним жгутик на одном полюсе клетки, который обеспечивает плавательную моторику для хемотаксис. Другая дочерняя клетка, называемая «стеблевая» клетка, имеет трубчатую структуру стебля, выступающую из одного полюса, на конце которого имеется липкий удерживающий материал, с помощью которого стеблевая клетка может прилипать к поверхностям. Клетки Swarmer дифференцируются в клетки стебля после короткого периода подвижности. Репликация хромосом и деление клеток происходит только на стадии стебельчатых клеток. Его название происходит от формы полумесяца, вызванной белком. полумесяц.[2] Его использование в качестве модели было разработано биологом-терапевтом. Люси Шапиро.[3][4]

Штаммы

В лаборатории исследователи различают C. crescentus штамм CB15 (штамм, первоначально выделенный из пресноводного озера) и NA1000 (основной экспериментальный штамм). В штамме NA1000, который был получен из CB15 в 1970-х гг.,[5] стебельчатые и предделенные клетки могут быть физически отделены в лаборатории от новых роевых клеток, в то время как типы клеток из штамма CB15 не могут быть физически отделены. Затем изолированные роевые клетки можно выращивать как синхронизированную культуру клеток. Детальное изучение молекулярного развития этих клеток по мере их прохождения через клеточный цикл позволило исследователям понять: Caulobacter очень подробно регуляция клеточного цикла. Благодаря этой способности к физической синхронизации штамм NA1000 стал преобладающим экспериментальным Caulobacter напряжение 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 является результатом кодирующего, регуляторного и инсерционного / делеционного полиморфизма в пяти хромосомных локусах.[6] C. crescentus является синонимом Caulobacter vibrioides.[1]

Геномика

CaulobacterOverview.png

В Caulobacter Геном CB15 имеет 4 016 942 пары оснований в одной кольцевой хромосоме, кодирующей 3 767 генов.[7] Геном содержит несколько кластеров генов, кодирующих белки, необходимые для выживания в среде с низким содержанием питательных веществ. Включены те, которые участвуют в хемотаксисе, функции каналов внешней мембраны, деградации ароматических кольцевых соединений и расщеплении источников углерода растительного происхождения, в дополнение ко многим сигма-факторам экстрацитоплазматической функции, обеспечивая организму способность реагировать на широкий диапазон колебания окружающей среды. В 2010 г. Caulobacter Штамм NA1000 был секвенирован и были идентифицированы все различия со штаммом CB15 «дикого типа».[6]

Роль стадии роевой клетки

В Caulobacter Стадия стебельчатых клеток обеспечивает преимущество в пригодности за счет прикрепления клетки к поверхностям для образования биопленок и / или использования источников питательных веществ. Как правило, виды бактерий, которые делятся быстрее всех, будут наиболее эффективно использовать ресурсы и эффективно занимать экологические ниши. Пока что, Caulobacter имеет стадию роевых клеток, что приводит к более медленному росту популяции. Каково компенсирующее преимущество этой стадии подвижных клеток в пригодности? Считается, что роевые клетки обеспечивают рассредоточение клеток, так что организм постоянно ищет новую среду. Это может быть особенно полезно в средах с жестким ограничением питательных веществ, когда доступные скудные ресурсы могут быть истощены очень быстро. Многие, возможно, большинство из дочерних клеток роя не найдут продуктивной среды, но обязательная стадия расселения должна повысить репродуктивную пригодность вида в целом.

Клеточный цикл

В Caulobacter клеточный цикл Регуляторная система контролирует множество модульных подсистем, которые организуют процесс роста и размножения клеток. А система контроля построенная с использованием биохимической и генетической логической схемы, организует время запуска каждой из этих подсистем. Центральным элементом регуляции клеточного цикла является циклический генетический контур - двигатель клеточного цикла, - который сосредоточен вокруг последовательных взаимодействий пяти основных регуляторных белков: DnaA, GcrA, CtrA, SciP и CcrM, роли которых были разработаны в лабораториях. из Люси Шапиро и Харли МакАдамс.[8][9][10] Эти пять белков напрямую контролируют время экспрессии более 200 генов. Пять основных регуляторных белков синтезируются и затем выводятся из клетки один за другим в течение клеточного цикла. Несколько дополнительных клеточных сигнальных путей также важны для правильного функционирования этого двигателя клеточного цикла. Основная роль этих сигнальных путей заключается в обеспечении надежного производства и удаления белка CtrA из клетки в нужные моменты клеточного цикла.

Важная особенность Caulobacter клеточный цикл заключается в том, что хромосома реплицируется один раз и только один раз за клеточный цикл. Это в отличие от Кишечная палочка клеточный цикл, в котором одновременно могут происходить перекрывающиеся раунды репликации хромосом. Противоположные роли Caulobacter Белки DnaA и CtrA необходимы для жесткого контроля Caulobacter репликация хромосом.[11] Белок DnaA действует на начало репликации для инициации репликации хромосомы. Белок CtrA, напротив, блокирует инициацию репликации, поэтому он должен быть удален из клетки до начала репликации хромосомы. Множество дополнительных регуляторных путей, неотъемлемых от регуляции клеточного цикла и включающих как фосфо-сигнальные пути, так и регулируемый контроль протеолиза белка[12] действуют, чтобы гарантировать, что DnaA и CtrA присутствуют в клетке именно тогда, когда это необходимо.

Каждый процесс, активируемый белками двигателя клеточного цикла, включает в себя каскад многих реакций. Самый длинный каскад подсистем - репликация ДНК. В Caulobacter В клетках репликация хромосомы включает около 2 миллионов реакций синтеза ДНК для каждого плеча хромосомы в течение 40–80 минут в зависимости от условий. В то время как среднее время для каждой отдельной реакции синтеза можно оценить по наблюдаемому среднему общему времени для 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 полной репликации хромосомы. Аналогичные случайные вариации происходят в скоростях развития каскадов реакций всех других подсистем. Итоговый эффект заключается в том, что время завершения клеточного цикла широко варьируется для разных клеток в популяции, даже если все они растут в одинаковых условиях окружающей среды. Регуляция клеточного цикла включает: Обратная связь сигналы, которые ускоряют прогрессию двигателя клеточного цикла, чтобы соответствовать прогрессу событий на уровне регуляторной подсистемы в каждой конкретной клетке. Эта организация системы управления с контроллером (двигатель клеточного цикла), управляющим сложной системой, с модуляцией сигналами обратной связи от управляемой системы, создает систему управления с обратной связью.

Скорость развития клеточного цикла дополнительно регулируется дополнительными сигналами, поступающими от клеточных сенсоров, которые отслеживают условия окружающей среды (например, уровни питательных веществ и уровень кислорода) или внутреннее состояние клетки (например, наличие повреждений ДНК).[13]

Эволюционная консервация системы контроля клеточного цикла

Схема управления, которая направляет и шагает Caulobacter Развитие клеточного цикла включает в себя работу всей клетки как единой системы. Схема управления отслеживает окружающую среду и внутреннее состояние клетки, включая топологию клетки, поскольку она управляет активацией подсистем клеточного цикла и Caulobacter crescentus асимметричное деление клеток. Белки Caulobacter Система контроля клеточного цикла и ее внутренняя организация совместно консервативны у многих видов альфа-протеобактерий, но существуют большие различия в функциональности регуляторного аппарата и периферической связи с другими клеточными подсистемами от вида к виду.[14][15] В Caulobacter Система управления клеточным циклом была тщательно оптимизирована путем эволюционного отбора как целостная система для надежной работы перед лицом внутренних стохастический шум и неопределенность окружающей среды.

Система управления бактериальной клеткой имеет иерархическую организацию.[16] Подсистема сигнализации и управления взаимодействует с окружающей средой с помощью сенсорных модулей, расположенных в основном на поверхности клетки. Логика генетической сети реагирует на сигналы, полученные 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 надлежащем временном порядке. В Caulobacter, это достигается с помощью генетической регуляторной цепи, состоящей из пяти главных регуляторов и ассоциированной фосфо-сигнальной сети. Сеть фосфосигнализации отслеживает состояние развития клеточного цикла и играет важную роль в выполнении асимметричного деления клеток. Система контроля клеточного цикла определяет время и место начала репликации хромосом и цитокинез а также развитие полярные органеллы. В основе всех этих операций лежат механизмы производства белка и структурных компонентов, а также производства энергии. «Домашние» метаболические и катаболические подсистемы обеспечивают энергией и молекулярным сырьем для синтеза белка, строительства клеточной стенки и других операций клетки. Функции обслуживания двунаправленно связаны с системой управления клеточным циклом. Однако они могут адаптироваться, в некоторой степени независимо от логики контроля клеточного цикла, к изменению состава и уровней доступных источников питательных веществ.

Белки Caulobacter Системы контроля клеточного цикла широко консервативны у 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 возбудитель растений, Бруцелла абортус является патогеном животных, и Sinorhizobium meliloti почвенная бактерия, которая вторгается и становится симбионт в клубеньках корней растений, которые фиксируют азот, но большая часть белков Caulobacter Контроль клеточного цикла также обнаружен у этих видов. Специфическая связь между белковыми компонентами сети контроля клеточного цикла и последующим считыванием схемы различается от вида к виду. Закономерность состоит в том, что внутренняя функциональность сетевых схем сохраняется, но связь на «краях» регуляторного аппарата с белками, контролирующими специфические клеточные функции, сильно различается у разных видов.

Эволюция позиционирования стебля в Caulobacter клады

Разнообразное расположение стеблей. Caulobacter crescentus (левый, полярный), Астиккакаулис обыкновенный (средний, субполярный) и Asticcacaulis biprosthecum (правый, двусторонний).

Caulobacter crescentus является членом группы бактерий, которые обладают стеблевой структурой, трубчатым продолжением тела клетки. Однако положение стебля не обязательно сохраняется на полюсе тела клетки у различных близкородственных видов. В частности, исследования показали, что не только положение стебля может меняться, но и количество может меняться у близкородственного рода. Астиккакаулис.[17][18] SpmX, полярно локализованный белок в Caulobacter crescentus, было показано, что он может управлять положением стебля в этих Астиккакаулис разновидность.[17] Предположительно, это происходит за счет увеличения функции после увеличения количества белка примерно с 400 аминокислот в Caulobacter crescentus до более чем 800 аминокислот в Астиккакаулис разновидность.

Caulobacter старение

Caulobacter был первым асимметричная бактерия показан возраст. Репродуктивное старение измеряли как снижение количества производимого потомства с течением времени.[19][20] На основе экспериментальных исследований эволюции в 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 кишечная палочка, что дает начало морфологически сходным дочерним клеткам.[21]


Регулировка полярности клеток

В C. crescentus, клеточная полярность легко проявляется по сборке полярных органелл и по поляризации плоскости деления, что приводит к образованию стеблевого потомства, которое длиннее, чем потомство роя. Формирование новых клеточных полюсов при делении подразумевает, что полярность клеток должна быть восстановлена ​​в потомстве, на котором происходит стебель, и обращена на обратную в потомстве роя.[22]

В C. crescentus жизненный цикл регулируется регулирующими органами, такими как TipN, белок клеточного цикла. Йельского университета данные убедительно подтверждают модель, в которой TipN регулирует ориентацию оси полярности, обеспечивая позиционный сигнал от предшествующего клеточного цикла. В этой модели TipN указывает место последнего подразделения, определяя новый полюс. Клетка использует эту позиционную информацию как источник внутриклеточной асимметрии, чтобы установить и поддерживать ориентацию оси полярности, которая является критической для полярного морфогенеза и деления. Рекрутирование TipN к возникающим полюсам в конце цикла деления переопределяет идентичность полюсов и сбрасывает правильную полярность в обеих будущих дочерних клетках (с изменением полярности в клетке Swarmer).[22] Регулируемый клеточным циклом синтез и удаление этих полярно локализованных структур предоставили богатую площадку для идентификации знаковых белков, важных для их правильной локализации.[23] TipN имеет две трансмембранные области в N-концевой регион и большой C-терминал спиральный домен. Гомологи TipN присутствуют и у других альфа-протеобактерий. TipN локализуется на новом полюсе в обеих дочерних клетках после деления и перемещается в сайт деления клетки в поздней предделительной клетке. Следовательно, обе дочерние клетки после деления имеют TipN на новом полюсе.[23]

Опорный белок TipN необходим для правильного размещения жгутика. [24] Мутанты без TipN совершают серьезные ошибки в развитии. Вместо того, чтобы образовывать один жгутик на правильном полюсе клетки, клетка образует несколько жгутиков в разных местах, даже на стебле.[22]

Регулирование полярности клеток
Рисунок 1

В процессе развития клетки многие такие белки работают вместе. Рисунок 1 показывает, как TipN взаимодействует с двумя другими полярными белками: маркером жгутика PodJ и маркером стебля DivJ. [25]

Рекомендации

  1. ^ а б Авраам, Вольф-Райнер; Карстен Стрёмпл; Хольгер Мейер; Сабина Линдхольст; Эдвард Р. Б. Мур; Рупрехт Христос; Марк Ванканнейт; Б. Дж. Тиндали; Антонио Беннасар; Джон Смит; Майкл Тесар (1999). «Филогения и полифазная таксономия видов Caulobacter. Предложение Maricaulis gen. Nov. С Maricaulis maris (Poindexter) comb. Nov. В качестве типового вида и исправленное описание родов Brevundirnonas и Caulobacter». Международный журнал систематической бактериологии. 49 (3): 1053–73. Дои:10.1099/00207713-49-3-1053. PMID  10425763.
  2. ^ Осмис, Нора; Kuhn, Jeffrey R .; Джейкобс-Вагнер, Кристина (декабрь 2003 г.). «Бактериальный цитоскелет: промежуточная филаментоподобная функция в форме клетки». Клетка. 115 (6): 705–13. Дои:10.1016 / S0092-8674 (03) 00935-8. PMID  14675535. S2CID  14459851.
  3. ^ Конгер, Криста (31 марта 2009 г.). «Лучшая канадская премия достается ученому из Стэнфорда Люси Шапиро за открытие клеточной биологии в трех измерениях». Деловой провод. Получено 14 мая 2015.
  4. ^ «Люси Шапиро 2014». Приз Грингарда. 2014. Получено 14 мая 2015.
  5. ^ Пойндекстер, Дж. С. (сентябрь 1964 г.). «Биологические свойства и классификация группы Caulobacter». Microbiol. Мол. Биол. Rev. 28 (3): 231–95. Дои:10.1128 / mmbr.28.3.231-295.1964. ЧВК  441226. PMID  14220656.
  6. ^ а б Marks ME; Кастро-Рохас CM; Teiling C; и другие. (Июль 2010 г.). «Генетические основы лабораторной адаптации Caulobacter crescentus». J. Bacteriol. 192 (14): 3678–88. Дои:10.1128 / JB.00255-10. ЧВК  2897358. PMID  20472802.
  7. ^ Ниерман, WC; Фельдблюм, ТВ; Лауб, MT; Паулсен, ИТ; Nelson, KE; Eisen, JA; Гейдельберг, JF; Аллея, MR; Охта, Н; Мэддок, младший; Потоцкая, I; Нельсон, WC; Ньютон, А; Стивенс, К; Phadke, ND; Эли, B; Дебой, RT; Додсон, Р.Дж.; Дуркин А.С.; Гвинн, ML; Хафт, DH; Колонай, JF; Смит, Дж; Крейвен, МБ; Khouri, H; Шетти, Дж; Берри, К; Аттербек, Т; Тран, К; Вольф, А; Ваматеван, Дж; Ермолаева, М; Белый, О; Зальцберг, SL; Venter, JC; Шапиро, Л; Фрейзер, CM (27 марта 2001 г.). «Полная последовательность генома Caulobacter crescentus». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 98 (7): 4136–41. Bibcode:2001ПНАС ... 98.4136Н. Дои:10.1073 / pnas.061029298. ЧВК  31192. PMID  11259647.
  8. ^ Макадамс, HH; Шапиро, Л. (17 декабря 2009 г.). «Системный дизайн контроля бактериального клеточного цикла». Письма FEBS. 583 (24): 3984–91. Дои:10.1016 / j.febslet.2009.09.030. ЧВК  2795017. PMID  19766635.
  9. ^ Кольер, Дж; Шапиро, Л. (август 2007 г.). «Пространственная сложность и контроль клеточного цикла бактерий». Текущее мнение в области биотехнологии. 18 (4): 333–40. Дои:10.1016 / j.copbio.2007.07.007. ЧВК  2716793. PMID  17709236.
  10. ^ Tan, M. H .; Kozdon, J. B .; Шен, X .; Шапиро, Л .; Макадамс, Х. Х. (2010). «Важный фактор транскрипции, SciP, повышает устойчивость регуляции клеточного цикла Caulobacter». Труды Национальной академии наук. 107 (44): 18985–990. Bibcode:2010PNAS..10718985T. Дои:10.1073 / pnas.1014395107. ЧВК  2973855. PMID  20956288.
  11. ^ Кольер, Дж; Мюррей, SR; Шапиро, Л. (25 января 2006 г.). «DnaA объединяет репликацию ДНК и экспрессию двух основных регуляторов клеточного цикла». Журнал EMBO. 25 (2): 346–56. Дои:10.1038 / sj.emboj.7600927. ЧВК  1383511. PMID  16395331.
  12. ^ Jenal, U (ноябрь 2009 г.). «Роль протеолиза в Caulobacter crescentus клеточный цикл и развитие ». Исследования в области микробиологии. 160 (9): 687–95. Дои:10.1016 / j.resmic.2009.09.006. PMID  19781638.
  13. ^ Шен, X; Кольер, Дж; Dill, D; Шапиро, Л; Horowitz, M; Макадамс, Е. Х. (12 августа 2008 г.). «Архитектура и внутренняя надежность бактериальной системы контроля клеточного цикла». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 105 (32): 11340–45. Bibcode:2008ПНАС..10511340С. Дои:10.1073 / pnas.0805258105. ЧВК  2516238. PMID  18685108.
  14. ^ McAdams, Harley H .; Шапиро, Люси (2011). "Архитектура и схема сохранения целостной схемы управления". Журнал молекулярной биологии. 409 (1): 28–35. Дои:10.1016 / j.jmb.2011.02.041. ЧВК  3108490. PMID  21371478.
  15. ^ Брилли, Маттео; Фонди, Марко; Фани, Ренато; Менгони, Алессио; Ферри, Лоренцо; Баззикалупо, Марко; Бионди, Эмануэле Г. (2010). «Разнообразие и эволюция регуляции клеточного цикла у альфа-протеобактерий: сравнительный геномный анализ». BMC Systems Biology. 4: 52. Дои:10.1186/1752-0509-4-52. ЧВК  2877005. PMID  20426835.
  16. ^ Макадамс, HH; Шапиро, Л. (май 2011 г.). «Архитектура и схема сохранения целостной схемы управления клеткой». Дж Мол Биол. 409 (1): 28–35. Дои:10.1016 / j.jmb.2011.02.041. ЧВК  3108490. PMID  21371478.
  17. ^ а б Цзян, Чао; Браун, Памела J.B .; Дюкре, Адриан; Brun1, Ив В. (27.02.2014). «Последовательная эволюция морфологии бактерий путем кооптации регулятора развития». Природа. 506 (7489): 489–93. Bibcode:2014Натура.506..489J. Дои:10.1038 / природа12900. ISSN  0028-0836. ЧВК  4035126. PMID  24463524.
  18. ^ Цзян, Чао; Caccamo, Paul D .; Брун, Ив В. (апрель 2015 г.). «Механизмы бактериального морфогенеза: подходы эволюционной клеточной биологии открывают новые горизонты». BioEssays. 37 (4): 413–25. Дои:10.1002 / bies.201400098. ISSN  1521-1878. ЧВК  4368449. PMID  25664446.
  19. ^ а б Аккерманн, Мартин; Стивен С. Стернс; Урс Дженал (2003). «Старение у бактерии с асимметричным делением». Наука. 300 (5627): 1920. Дои:10.1126 / science.1083532. PMID  12817142. S2CID  34770745.
  20. ^ Аккерманн, Мартин; Александра Шауэрте; Стивен С. Стернс; Урс Дженал (2007). «Экспериментальная эволюция старения бактерии». BMC Эволюционная биология. 7: 126. Дои:10.1186/1471-2148-7-126. ЧВК  2174458. PMID  17662151.
  21. ^ Стюарт, Эрик Дж .; Ричард Мэдден; Грегори Пол; Франсуа Таддеи (2005). «Старение и смерть в организме, размножающемся морфологически симметричным делением». PLOS Биология. 3 (2): e45. Дои:10.1371 / journal.pbio.0030045. ЧВК  546039. PMID  15685293.
  22. ^ а б c H, Лам; Wb, Шофилд; C, Джейкобс-Вагнер (10 марта 2006 г.). «Важнейший белок, необходимый для установления и сохранения полярности бактериальной клетки». Клетка. 124 (5): 1011–23. Дои:10.1016 / j.cell.2005.12.040. PMID  16530047. S2CID  14200442.
  23. ^ а б Treuner-Lange, Anke; Согаард-Андерсен, Лотте (07.07.2014). «Регулирование полярности клеток у бактерий». Журнал клеточной биологии. 206 (1): 7–17. Дои:10.1083 / jcb.201403136. ISSN  0021-9525. ЧВК  4085708. PMID  25002676.
  24. ^ Уитема, Эдгар; Причард, Шон; Маттесон, Дэвид; Радхакришнан, Суниш Кумар; Виолье, Патрик Х. (10 марта 2006 г.). «Бактериальные белки шрамов рождения маркируют место сборки будущего жгутика». Клетка. 124 (5): 1025–37. Дои:10.1016 / j.cell.2006.01.019. ISSN  0092-8674. PMID  16530048. S2CID  15574493.
  25. ^ Лоулер, Мелани Л .; Брун, Ив В. (2006-03-10). «Молекулярный маяк определяет асимметрию бактериальных клеток». Клетка. 124 (5): 891–93. Дои:10.1016 / j.cell.2006.02.027. ISSN  0092-8674. PMID  16530036.

внешняя ссылка