Войти
| Caulobacter crescentus | |
|---|---|
 | |
| Научная классификация | |
| Царство: | Бактерии |
| Тип: | Proteobacteria |
| Класс: | Alpha Proteobacteria |
| Порядок: | Caulobacterales |
| Семейство: | Caulobacteraceae |
| Род: | Caulobacter |
| Виды: | C. crescentus |
| Биномиальное название | |
| Caulobacter crescentus . Poindexter 1964 | |
Caulobacter crescentus - это грамотрицательная, олиготрофная бактерия Широко распространен в пресноводных озерах и ручьях. Таксон более известен как Caulobacter vibrioides (Henrici and Johnson 1935).
Caulobacter - важный модельный организм для изучения регуляции клеточного цикла, асимметричное деление клеток и дифференцировка клеток. Дочерние клетки Caulobacter имеют две очень разные формы. Одна дочерняя клетка представляет собой подвижную «роевую» клетку, которая имеет единственный жгутик на одном полюсе клетки, который обеспечивает плавательную подвижность для хемотаксиса. 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 серповидной формы, вызванной белком crescentin. Его использование в качестве модели было разработано биологом развития Люси Шапиро.
В лаборатории исследователи различают штамм CB15 C. crescentus (штамм, первоначально выделенный из пресноводного озера) и NA1000 (основной экспериментальный штамм). В штамме NA1000, который был получен из CB15 в 1970-х годах, стебельчатые и предразделенные 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 детально понять регуляцию клеточного цикла Caulobacter. Благодаря этой 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 является результатом кодирования, регуляции и полиморфизма вставок / делеций в пяти хромосомных локусах. C. crescentus является синонимом Caulobacter vibrioides.
Геном Caulobacter CB15 имеет 4 016 942 пары оснований в одной кольцевой хромосоме, кодирующей 3 767 генов. 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 году штамм Caulobacter NA1000 был секвенирован, и все различия со штаммом CB15 «дикого типа» были идентифицированы.
Стадия преследуемых клеток Caulobacter обеспечивает преимущество пригодности путем прикрепления клетки к поверхностям для образования биопленок и / или использования источников питательных веществ. Как правило, виды бактерий, которые делятся быстрее всего, будут наиболее эффективно использовать ресурсы и эффективно занимать экологические ниши. Тем не менее, 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 стадия обязательного расселения должна повысить репродуктивную пригодность вида в целом.
Регуляторная система Caulobacter клеточного цикла контролирует многие модульные подсистемы, которые организуют рост и размножение клеток. Система управления, построенная с использованием схем биохимической и генетической логики, организует синхронизацию 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. 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.
Существенной особенностью клеточного цикла Caulobacter является то, что хромосома реплицируется один раз 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 важны для жесткого контроля репликации хромосом Caulobacter. Белок DnaA действует в точке начала репликации, чтобы инициировать репликацию хромосомы. Белок CtrA, напротив, блокирует инициацию репликации, поэтому он должен быть удален из клетки до начала репликации хромосомы. Множественные дополнительные регуляторные пути, являющиеся неотъемлемой частью регуляции клеточного цикла и включающие как фосфо-сигнальные пути, так и регулируемый контроль протеолиза белка, обеспечивают присутствие DnaA и CtrA 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 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 для каждой индивидуальной 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 в зависимости от клеток в популяции, даже если все они растут в идентичных условиях окружающей среды. Регуляция клеточного цикла включает в себя обратную связь сигналы, которые ускоряют прогрессирование двигателя клеточного цикла, чтобы соответствовать прогрессу событий на уровне регуляторной подсистемы в каждой конкретной клетке. Эта организация системы управления с контроллером (двигателем 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 датчиков, которые контролируют условия окружающей среды (например, уровни питательных веществ и уровень кислорода) или внутреннее состояние клеток (например, наличие Повреждение ДНК).
Схема управления, которая направляет и ускоряет развитие клеточного цикла Caulobacter, включает всю клетку, работающую как интегрированную систему. Схема управления контролирует окружающую среду и внутреннее состояние клетки, включая топологию клетки, поскольку она управляет активацией подсистем клеточного цикла и асимметричным делением клеток Caulobacter crescentus. Белки системы контроля клеточного цикла Caulobacter 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. Система контроля клеточного цикла Caulobacter была тщательно оптимизирована путем эволюционного отбора как целостная система для надежной работы перед лицом внутреннего стохастического шума и неопределенности окружающей среды.
Система управления бактериальной клеткой имеет иерархическую организацию. 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. У Caulobacter это достигается с помощью генетической регуляторной цепи, состоящей из пяти главных регуляторов и связанной с ними сети передачи фосфо-сигналов. Сеть фосфосигналов отслеживает состояние развития клеточного цикла и играет важную роль в выполнении асимметричного деления клеток. Система контроля клеточного цикла управляет временем и местом инициации репликации хромосом и цитокинеза, а также развитием полярных органелл. 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 системы контроля клеточного цикла Caulobacter широко совместно 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 фитнес-стратегиях и экологических нишах. Например, Agrobacterium tumefaciens - патоген для растений, Brucella abortus - патоген для животных, и Sinorhizobium meliloti - почвенная бактерия, которая вторгается и становится симбионт в клубеньках корней растений, которые фиксируют азот, но большинство белков, контролирующих клеточный цикл Caulobacter, также обнаруживаются у этих видов. Специфическая связь между белковыми компонентами сети контроля клеточного цикла и последующим считыванием схемы различается от вида к виду. Закономерность заключается 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.
Различное расположение стеблей. Caulobacter crescentus (слева, полярный), Asticcacaulis excentricus (средний, субполярный) и Asticcacaulis biprosthecum (справа, двусторонний). Caulobacter crescentus является членом группы бактерий, которые обладают стеблевым строением, трубчатым расширение от 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 Asticcacaulis. SpmX, полярно локализованный белок в Caulobacter crescentus, как было показано, манипулирует позиционированием стебля у этих видов Asticcacaulis. 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, показавшей старение. измеряли как снижение количества производимого потомства с течением времени. На основе экспериментальных исследований эволюции C. crescentus, Ackermann et al. предположили, что старение, вероятно, является фундаментальным свойством всех клеточных организмов. Подобный феномен с тех пор был описан у бактерии Escherichia coli, которая дает морфологически сходные дочерние клетки.
.
У C. crescentus полярность клеток легко проявляется по сборке полярных органелл. и за счет поляризации плоскости деления, которая приводит к образованию потомства с черенками, которое длиннее, чем потомство роя. Формирование новых клеточных полюсов при делении подразумевает, что полярность клеток должна быть восстановлена в потомстве стебельчатого потомства и обращена на обратную в потомстве роя.
Жизненный цикл C. crescentus регулируется такими регуляторами, как TipN, белок клеточного цикла. Данные Йельского университета убедительно подтверждают модель, в которой TipN регулирует ориентацию оси полярности, предоставляя позиционный сигнал из предыдущего клеточного цикла. В этой модели TipN указывает место последнего подразделения, определяя новый полюс. Клетка использует эту позиционную информацию как источник внутриклеточной асимметрии для установления и поддержания ориентации 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). Регулируемый клеточным циклом синтез и удаление этих полярно локализованных структур предоставили богатую площадку для идентификации знаковых белков, важных для их правильной локализации. TipN имеет две трансмембранные области в N-концевой области и большой C-концевой домен спиральной спирали. 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 имеют TipN на новом полюсе после деления.
Опорный белок TipN важен для правильного размещения жгутика. 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.
Рис. №1 В развитии клетки задействовано много таких белков, работающих вместе. Фиг.1 показывает, как TipN взаимодействует с двумя другими полярными белками: жгутиковым маркером PodJ и маркером стебля DivJ.
