[論文レビュー] Stability Puzzles in Phage Lambda

Erik Aurell, Stanley Brown+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2000

Protein Structure and Dynamics参考文献 25被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、バクテリオファージλのリソニーの極めて安定した性質を説明する定量的動的モデルを構築し、Croの転写イベントが単独ではリシスを引き起こさない理由を、急速なCroの分解と非特異的DNA結合に起因すると示している。モデルは実験的に観察された安定性を再現するが、突然変異型オペレーターのデータとは整合しないことが判明し、標準的なO_Rスイッチモデルを超える追加の安定化機構が存在する可能性を示唆している。

ABSTRACT

The lysogeny maintenance switch in phage lambda is one of the simplest examples on the molecular level of computation, command and control in a living system. If, following infection of the bacterium E. coli, the virus enters the lysogenic pathway, it represses its developmental functions, and integrates its DNA into the host chromosome. In this state the prophage may be passively replicated for many generations of E. coli. In fact, this repressed state is intrinsically more stable than the gene encoding the repressor. We develop a mathematical formalism to predict the stability of such epigenetic states from affinities of the molecular components. We apply the model to the behavior of recently published mutants at the right operator complex of lambda, and find that the reported stability indicates that the current view of the switch is incomplete. The approach described here should be generally applicable to the stability of expressed states

研究の動機と目的

• 再圧タンパク質およびCroタンパク質の迅速なオン・オフ結合にもかかわらず、リソニー状態が極めて安定（最大10^12秒）であるというパラドックスを解明すること。
• O_Rスイッチの現在のモデルが、ワイルドタイプおよび突然変異型バクテリオファージλリソニーにおける観察された安定性を定量的に再現できるかを検証すること。
• オペレーター領域の突然変異に対して耐性を示すスイッチの頑健性を説明する、追加の分子機構を同定すること。
• エピジェネティック状態および合成遺伝子調節ネットワークの安定性に応用可能なフレームワークを構築すること。
• 非特異的DNA結合およびタンパク質分解が、リソニック状態の維持に果たす役割を評価すること。

提案手法

• CIおよびCroタンパク質の転写、翻訳、分解、結合キネティクスを組み込んだ確率的動的モデルを構築する。
• 現実の細胞状態を再現するため、Croジマーの非特異的DNA結合を測定された親和性で組み込む。
• P_RおよびP_RMプロモーターからの転写の速度定数とタンパク質分解の速度定数を用い、時間経過に伴うスイッチ行動をシミュレートする。
• ワイルドタイプおよびO_R突然変異体（121, 323）における安定性を予測し、実験データと比較する。
• プロモーター活性（R_RM, R_R）、結合親和性、分解速度などのパラメータを調整し、観察された安定性に一致させる。
• P_RE駆動によるcI転写やCI-Cro相互作用といった代替メカニズムが安定性に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々のタンパク質-DNA結合イベントのオン・オフ時間が短いにもかかわらず、なぜバクテリオファージλのリソニック状態は極めて安定なのであろうか？
• RQ2 既知の分子的相互作用に基づく最小限の力学的モデルが、ワイルドタイプリソニーの実験的観察された安定性を再現できるか？
• RQ3 特定のO_R突然変異体（例：323）が、標準モデルの予測を超えて高い安定性を示すのはなぜか？
• RQ4 標準的なO_Rオペレーター複合体を超える、追加の分子機構は何か？
• RQ5 非特異的DNA結合およびタンパク質分解は、リソニック状態の頑健性にどのように寄与しているのか？

主な発見

• 非特異的DNA結合とタンパク質分解を含む現実的なパラメータを用いて、ワイルドタイプλにおける実験的観察されたリソニック安定性（約2×10^−9/世代）をモデルが再現した。
• 323突然変異体は、実験的データが高安定性を示すにもかかわらず、モデル上では安定リソニーを形成できないことが判明し、欠落している安定化機構が存在する可能性を示唆した。
• 121突然変異体は、約40個のCI分子を予測し、実験的観察の通りの中程度の安定性と整合的であった。
• 安定性はプロモーター活性や分解速度といったパラメータに強く依存しており、環境要因の変化がスイッチの安定性を劇的に変える可能性を示唆した。
• 急速なCro分解と非特異的シーケストレーションのため、リシスを誘発するには複数回の連続したcro翻訳が必要であるとモデルが示唆した。
• P_RE駆動によるcI転写、CI-Cro相互作用、またはO_L–O_R DNAループ形成といった追加のメカニズムが、突然変異に対するスイッチの頑健性を説明するにあたって不可欠であると考えられる。