新模型捕获细菌中DNA复制蛋白的不稳定速度

细胞分裂是生命的基础，允许生物体生长，修复组织和繁殖。为了使细胞分裂，细胞内的所有DNA(基因组)必须首先被复制，这个过程称为DNA复制。但是，科学家很难确定反应子体(复制DNA的蛋白质机制)的精确动力学。

现在，日本冲绳科学技术研究所(OIST)的研究人员开发了一种新模型，可以确定回复体复制细菌基因组的速度变化。该模型与实验相结合，表明某些DNA片段的复制速度比其他片段快，并揭示了复制速度和错误率之间的有趣联系。该研究于2022年7月25日发表在eLife上。

“复制DNA的机器非常棒-它们非常快速，非常精确，”OIST副教授西蒙娜·皮戈洛蒂(SimonePigolotti)说，他是生物复杂性部门的负责人。“了解这些机器可以告诉我们什么对细胞很重要-哪些错误是可以容忍的，哪些错误是不能容忍的，复制应该多快。

该模型依赖于测量在不断分裂的细菌细胞群中不同DNA位置的丰富程度。在细菌中，为了开始DNA复制，两个回复体在设定的原点附着在DNA上，并沿着DNA环朝相反的方向前进，复制DNA直到它们在另一侧相遇。这意味着最靠近原点的DNA首先被复制，而最接近终止点的DNA被复制在最后。

“如果你让一群细菌自由生长，那么在任何给定的时间点，大多数细胞都将处于细胞分裂过程中。因为DNA复制总是从同一位置开始，这意味着如果你对所有DNA进行测序，那么最接近原点的DNA丰度会更高，而更接近终点的DNA量会低得多，“Pigolotti教授解释说。

在这项研究中，OIST核酸化学和工程部门的研究人员在不同温度下培养了大肠杆菌(E.coli)细菌。然后，测序科对细菌的DNA进行了测序。

通过分析分布曲线的特征，研究人员能够确定蛋白质机制的确切速度。他们发现，随着温度的升高，复制速度也随之提高。更有趣的是，研究人员发现，回复体在基因组的不同点上改变了它们的速度。

Pigolotti教授推测，它们速度波动的一个潜在原因是，复制所需的资源可能存在限制，例如核苷酸-DNA的构建块。

在大肠杆菌中，当条件良好时，单个细菌细胞可以每25分钟分裂一次。但复制DNA的过程需要更长的时间——大约40分钟。因此，为了跟上高增长率，基因组的多个拷贝同时被复制，这增加了工作中的回复体的数量。然后，核苷酸的竞争可能导致回复体减慢。

其他证据支持这一假设。在低温和营养贫乏的培养物中，当细菌的生长速度低并且一次只能复制一个基因组时，复制速度的这些波动就会消失。

有趣的是，研究人员还发现，复制速度的振荡也与其他研究中记录的突变率的振荡相匹配。当他们覆盖这两种模式时，他们发现复制速度更快的基因组区域也具有更高的突变率。

“这似乎很直观——如果我们想到一个动作，比如在键盘上打字，我们打字的速度越快，我们就越有可能犯错误，”Pigolotti教授说。“所以我们认为，当回复者走得更快时，他们的错误率就会更高。

对于Pigolottti教授来说，下一步是确定大肠杆菌突变菌株的复制速度如何变化，例如那些缺少有助于复制的蛋白质的菌株。他也很好奇这种模式是否适用于其他细菌菌株。

“这是一个非常令人兴奋的研究方向，”皮戈洛蒂教授说。“所有的工作都是与这里的其他单位合作完成的。这是那种只能在OIST发生的跨学科合作。