[論文レビュー] Steric interactions and out-of-equilibrium processes control the internal organization of bacteria

Ander Movilla Miangolarra, Hsin‐Jung Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2021

Bacterial Genetics and Biotechnology参考文献 42被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、空間的相互作用と非平衡状態のmRNAダイナミクスが、*E. coli* の細菌核様体の空間的組織化を駆動すると提案している。統計力学的モデルにヴァイアル展開と反応拡散方程式を適用することで、排他的体積効果のみが平衡状態の相分離を引き起こし、DNAを核様体に凝縮させることを示した。一方、mRNAの合成と分解は非平衡状態の力を生じさせ、核様体の中央部への位置決めと細胞成長に伴うラビット状の分裂を駆動する。このモデルは、伸長した細胞における実験的核様体サイズと位置決めを定量的に再現した。

ABSTRACT

Despite the absence of a membrane-enclosed nucleus, the bacterial DNA is typically condensed into a compact body - the nucleoid. This compaction influences the localization and dynamics of many cellular processes including transcription, translation, and cell division. Here, we develop a model that takes into account steric interactions among the components of the Escherichia coli transcriptional-translational machinery (TTM) and out-of-equilibrium effects of mRNA transcription, translation, and degradation, in order to explain many observed features of the nucleoid. We show that steric effects, due to the different molecular shapes of the TTM components, are sufficient to drive equilibrium phase separation of the DNA, explaining the formation and size of the nucleoid. In addition, we show that the observed positioning of the nucleoid at midcell is due to the out-of-equilibrium process of messenger RNA (mRNA) synthesis and degradation: mRNAs apply a pressure on both sides of the nucleoid, localizing it to midcell. We demonstrate that, as the cell grows, the production of these mRNAs is responsible for the nucleoid splitting into two lobes, and for their well-known positioning to 1/4 and 3/4 positions on the long cell axis. Finally, our model quantitatively accounts for the observed expansion of the nucleoid when the pool of cytoplasmic mRNAs is depleted. Overall, our study suggests that steric interactions and out-of-equilibrium effects of the TTM are key drivers of the internal spatial organization of bacterial cells.

研究の動機と目的

• 膜を有さないが、依然として凝縮した形で動的に位置決められている細菌核様体の空間的組織化の背後にある物理的メカニズムを特定すること。
• トランスクリプション・翻訳マシン（TTM）成分（DNA、mRNA、リボソーム）同士の空間的相互作用が、能動的調節を要せず核様体形成と局在化を駆動できるかどうかを検証すること。
• 特にmRNAの合成と分解を含む非平衡状態のプロセスが、細胞成長に伴う核様体の位置決めと分裂にどのように寄与するかを調査すること。
• さまざまな成長速度とmRNAレベルの下での伸長した *E. coli* 細胞からの実験データと、モデル予測を定量的に比較すること。
• 分子スケールの空間的および運動的効果に基づく、最小限で物理的に根拠のある核様体組織化モデルを確立すること。

提案手法

• 細菌細胞の長軸に沿った1次元半解析的統計力学モデルを構築し、3次元の細胞質を1次元軸に簡略化する。
• ヴァイアル展開を用いて局所的な自由エネルギーを計算し、DNA断片、mRNA、リボソーム／ポリソームの球体近似における空間的相互作用（排他的体積効果）を組み込む。
• 反応拡散方程式を用いて濃度の時間発展をモデル化する：DNAの濃度cDNA(x,t)、n個のリボソームを有するポリソームの濃度ρn(x,t)、自由リボソームの濃度cF(x,t)。
• mRNA合成（α）、分解（β）、リボソームの結合・解離（kon, koff）を含む非平衡ダイナミクスを組み込み、時間積分には後退的差分公式（BDF）を用いる。
• 制約付き勾配ベース最適化（NLoptライブラリ）による自由エネルギー最小化を実行し、定常状態のプロファイルを求める。
• 細胞長に比例してスケーリングされたパラメータ（成長速度、mRNA濃度、分解速度）を用い、実験的伸長細胞のデータに一致させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 能動的力や調節タンパク質が存在しない状況でも、空間的相互作用（排他的体積効果）のみで細菌核様体の形成とサイズが説明可能か？
• RQ2 染色体の二重化前後において、*E. coli* の核様体が中央部に位置する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 mRNAの非平衡状態のダイナミクス（合成と分解）が、細胞成長に伴い核様体の分裂と1/4および3/4位置への位置決めにどのように寄与するか？
• RQ4 mRNAプールが枯渇した場合、核様体はどの程度拡張するか？この現象はモデルで定量的に説明可能か？
• RQ5 長大なフィラメント状細胞（>8 µm）において、核様体のラビット状形成に特徴的な長さスケールが予測されるか？

主な発見

• 排他的体積効果による空間的相互作用のみが、平衡状態の相分離を引き起こし、能動的プロセスや染色体タンパク質を要せず核様体の形成と凝縮したサイズを説明できる。
• 核様体の中央部への位置決めは、mRNA合成と分解が生じる非平衡状態の現象であり、これにより核様体を中央に押し出す圧力勾配が生じる。
• 細胞が成長するに従い、持続的なmRNA産生が核様体の二重ラビット状分裂を引き起こし、ラビットは細胞長の1/4および3/4の位置に配置される。これは実験的観察と一致する。
• mRNA枯渇に伴う核様体の拡張は、モデルが定量的に再現できており、mRNAが核様体サイズの主要な調節因子であることが裏付けられる。
• 長大なフィラメント状細胞（>8 µm）では、モデルが複数の核様体ラビット（例：16 µmでは3ラビット）の出現を予測し、約5 µmの特徴的なラビットサイズを示唆する。
• 非平衡反応が存在しない場合、モデルは平衡状態で単一で対称的な核様体を予測する。これは、中央部への位置決めが非平衡効果であることを確認する。