[論文レビュー] Fluctuations in growth rates determine the generation time and size distributions of E. coli cells

Mats Walldén, David Fange+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2015

DNA and Nucleic Acid Chemistry被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、同一遺伝子型のE. coli集団における細胞間の成長速度の揺らぎが、観察された分裂サイズおよび世代時間の分布を説明するのに十分であることを示している。単一分子顕微鏡法と機械的モデルを用いて、染色体の複製開始は原点あたりの固定された体積で起こり、その後成長速度に依存する遅延を経て分裂が起こることを示しており、体積に基づく開始に加えて追加の調節機構は最小限に抑えられていることを示している。

ABSTRACT

Isogenic Escherichia coli growing exponentially in a constant environment display large variation in growth-rates, division-sizes and generation-times. It is unclear how these seemingly random cell cycles can be reconciled with the precise regulation required under conditions where the generation time is shorter than the time to replicate the genome. Here we use single molecule microscopy to map the location of the replication machinery to the division cycle of individual cells. We find that the cell-to-cell variation in growth rate is sufficient to explain the corresponding variation in cell size and division timing assuming a simple mechanistic model. In the model, initiation of chromosome replication is triggered at a fixed volume per origin region, and associated with each initiation event is a division event at a growth rate dependent time later. The result implies that cell division in E. coli has no other regulation beyond what is needed to initiate DNA replication at the right volume.

研究の動機と目的

• 一定条件下におけるE. coliの世代時間およびサイズの細胞間ばらつきの原因を理解すること。
• 成長速度の揺らぎのみが、観察された分裂サイズおよびタイミングの分布を説明できるかどうかを特定すること。
• 体積依存的複製開始および固定遅延に基づく最小限の機械的モデルが、実験データを再現できるかどうかを検証すること。
• E. coliの細胞周期制御において、体積センシングを超えた追加の調節機構が必要かどうかを評価すること。

提案手法

• 個々のE. coli細胞における複製装置（例：DnaX-GFP）の位置を可視化するために、単一分子蛍光顕微鏡法を用いた。
• 生きた同一遺伝子型の細胞において、細胞周期の段階（染色体複製の開始および細胞分裂）を時間経過とともに追跡した。
• タイムラプス画像データから個々の細胞の成長速度、分裂サイズ、および世代時間を測定した。
• 複製開始が原点領域あたりの固定された細胞体積で起こるという機械的モデルを提唱した。
• 各開始イベントが、細胞の成長速度に依存する時間遅延を経て細胞分裂に至ると仮定した。
• モデルを用いてサイズおよび世代時間の分布をシミュレートし、実験データと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々の成長速度の揺らぎが、E. coliの細胞サイズおよび分裂タイミングの観察されたばらつきのどの程度を説明できるか。
• RQ2 DNA複製の体積に基づく開始が、観察されたサイズおよびタイミングの分布を説明するのに十分か。
• RQ3 複製開始と細胞分裂の間の遅延は成長速度に依存するか。その場合、どのように依存するか。
• RQ4 体積依存的開始および成長速度依存的遅延に基づく最小限のモデルが、追加の調節機構なしに実験データを再現できるか。
• RQ5 観察されたばらつきを踏まえると、E. coliの細胞周期制御における追加の調節機構の役割は何か。

主な発見

• 同一遺伝子型のE. coli集団における、細胞間の成長速度のばらつきのみが、観察された分裂サイズおよび世代時間の分布を説明するのに十分である。
• 複製開始は、成長速度とは無関係に、原点領域あたりの固定された細胞体積で起こる。
• 複製開始と細胞分裂の間の時間遅延は、成長速度に反比例しており、成長が速い細胞は開始後すぐに分裂する。
• 提示されたモデルに基づくシミュレーションは、実験的に観察されたサイズおよび世代時間の分布を定量的に再現している。
• モデルは、体積に基づく開始に加えて追加の調節機構は必要ないことを示唆している。
• 本研究は、成長および分裂の細胞間ばらつきが著しいにもかかわらず、正確なゲノム複製タイミングが維持されるというパラドックスを解消している。