Сегрегация хромосом у прокариот
Сегрегация хромосом у прокариот происходит в отсутствие митотического веретена .
Основные положения:
- У прокариот отсутствует митотическое веретено, однако процесс сегрегации хромосом у них происходит безошибочно.
- Исследование положения точек oriC на хромосоме показывает, что в раннем периоде цикла репликации ДНК они активно перемещаются к противоположным полюсам клетки.
- Механизмы сегрегации хромосом выяснены недостаточно, вероятно, потому, что они отчасти являются функционально избыточными.
- В процессе сегрегации хромосом у многих бактерий и низкокопийных плазмид, вероятно, участвует система ParA - ParB .
Подобно клеткам всех живых организмов, прокариоты должны обладать системами, гарантирующими, что до наступления деления вся генетическая информация полностью реплицировалась и что произошла точная сегрегация реплицированных пар сестринских молекул ДНК, по одной в каждую клетку. Исследования клеток бактерий дикого типа показали, что сегрегация представляет собой весьма эффективный процесс, и бесхромосомные клетки образуются с крайне низкой частотой, с трудом поддающейся регистрации (меньше десяти в минус 4-ой степени в расчете на клетку в генерации). В отличие от эукариот, у прокариот отсутствует явная структура митотического веретена, которая обеспечивает сегрегацию реплицированных хромосом. По-видимому, небольшие размеры прокариотических клеток исключают для них возможность образовывать веретено. Однако даже у эукариот дуплицированные центромеры должны быть пространственно разделены, с тем чтобы обеспечить их биполярное присоединение к веретену. Не исключено, что сегрегация хромосом у прокариот должна представлять собой аналогичный, или даже гомологичный, процесс по отношению к раннему, недостаточно исследованному этапу сегрегации хромосом у эукариот (подробнее о митозе у эукариот см. Митоз ).
В ранних моделях сегрегации бактериальных хромосом предполагалось, что новореплицированная хромосома через область, содержащую oriC присоединяется к клеточной оболочке с любой стороны центральной зоны роста. Затем элонгация клетки должна привести к тому, что параллельно с ростом клетки область сестринских oriC будет медленно отходить в сторону. В дальнейшем, однако, было показано, что рост клеточной оболочки не происходит по зональному принципу. Более того, в некоторых случаях процесс сегрегации хромосом осуществляется на больших расстояниях, как это, например, происходит при полярном делении спорулирующих клеток В. subtilis . или через удлиненные палочки, как у некоторых стебельковых бактерий .
Одна из причин, затрудняющих понимание процесса сегрегации хромосом у бактерий, заключается в трудности получения клеточных мутантов с нарушенной функцией сегрегации. У большинства выделенных мутантов функция сегрегации хромосом была затронута косвенным образом, а основные нарушения касались или процесса репликации, или общей организации нуклеоида. Это хорошо иллюстрируется на примере системы SMC (MukB) . Путем генетического скрининга мутантов, образующих бесхромосомные клетки, были изолированы мутанты mukB. Оказалось, однако, что основная функция MukB и связанных с ним белков заключается в поддержании структурной организации нуклеоида ( конденсации хромосом ), хотя нельзя полностью исключить их участие в сегрегации ( рис. 20.35 ). В последние годы в решении проблемы сегрегации хромосом у бактерий оказались плодотворными два подхода:
- Исследование сегрегации плазмид.
- Использование методов микроскопии для прямых наблюдений локализации и движения специфических сайтов хромосом при прохождении клетки по циклу.
Существует много механизмов, которые позволяют плазмидам находиться в стабильном состоянии. Репликация низкокопийных плазмид происходит таким образом, что количество их копий на клетку поддерживается близким к числу хромосом клетки хозяина (1-2 копии на клетку). Для плазмид характерны те же проблемы, связанные с декатенацией и разделением димеров, что и для хромосом. Обычно для преодоления всех этих проблем плазмиды используют такие системы клетки хозяина, как XerCD рекомбиназу . Многие плазмиды кодируют интересную систему, которая называется "яд - антидот" и использует другой подход для решения проблемы поддержки своей стабильности. Эта система действует таким образом, что дочерние клетки, не получившие копии плазмид, выбраковываются. В конечном счете, большинство низкокопийных плазмид приобрели активный механизм сегрегации, включающий два белка с общими названиями ParA и ParB . Белки ParA обладают слабой АТФазной активностью и часто проявляют дополнительные функции в качестве регуляторов транскрипции. ParB относятся к категории белков, связывающихся с ДНК, и способны связываться со специфическими цис-действующими сайтами, необходимыми для сегрегации. Белок ParA может взаимодействовать с ParB, связанным со своим сайтом сегрегации, и поэтому также необходим для сегрегации. К сожалению, несмотря на почти 20-летние исследования, механизм, посредством которого в клетках прокариот обеспечивается стабильная сегрегация хромосом, остается неясным.
Оказалось, что у большинства бактерий присутствуют гомологи белков ParA и ParB, необходимые для сегрегации хромосом (впрочем, у Е. coli и родственных бактерий они не обнаружены!). У В. subtilis в сегрегации и споруляции участвуют гомологичные белки, Soj и Spo0J соответственно. Хотя хромосомы у этих бактерий часто показывают аномальное расположение, нулевые мутанты spo0J жизнеспособны, что подтверждает точку зрения о том, что сегреграция хромосом является процессом, характеризующимся избыточностью. Белок Spo0J связывается с несколькими сайтами, находящимися в протяженной области, порядка 800 т.п.о., расположенной поблизости от oriC. Как показано на рис. 20.40 , связанные белки сконцентрированы в виде компактных пятен, которые можно наблюдать во флуоресцентном микроскопе. Такая конденсация происходит с участием белка Soj. Так же как и для белков ParAB плазмид, механизм сегрегации хромосом с участием Soj остается неизвестным. Однако исследования пятен Spo0J показывают, что вскоре после завершения раунда репликации ДНК наблюдается активная сегрегация области oriC. Пятна быстро занимают положение на противоположных концах реплицирующегося нуклеоида . К такому же выводу пришли на основании наблюдений над областью oriC, используя другие методы ее визуализации. Однако по меньшей мере в одном сообщении отмечается, что движение пятен происходит постепенно, что может свидетельствовать в пользу пассивной сегрегации. В настоящее время мы не можем представить себе ясную картину, описывающую участие белков системы ParAB в сегрегации хромосом. Действительно, оказалось, что в отсутствии этой системы быстро происходит начальный этап сегрегации областей хромосом, содержащих oriC. Высказано предположение о том, что движущей силой сегрегации может являться выход ДНК из фиксированной реплисомы . Впрочем, такой механизм представляется маловероятным, поскольку репарация сестринских хромосом служит важным механизмом поддержки процессивности процесса их репликации. У некоторых видов бактерий в процессе активной сегрегации хромосом может участвовать белок MreB (актин) , и эти данные представляют собой важное направление дальнейших исследований.
Смотрите также:
