[論文レビュー] Topology mediated organization of E.coli chromosome in fast growth conditions

Shreerang Pande, Debarshi Mitra+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2023

Evolution and Genetic DynamicsBiochemistry, Genetics and Molecular Biology被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、重複する細胞周期と多叉複製を示す高速成長状態における *E. coli* 染色体の組織化を、位相的変更を受けるDNAループ間のエントロピー駆動型反発が規定すると提案している。シリンダー型の閉じ込められた環境下で、ビーズスプリングポリマー・モデルを用いたモンテカルロシミュレーションにより、oriC、dif-ter、複製フォークの実験的に観察された空間的分離が再現され、アクティブなモーターたんぱく質が存在しなくても、エントロピー的力のみで自己組織化が生じることを示している。

ABSTRACT

Recent experiments have been able to visualise chromosome organization in fast-growing E.coli cells. However, the mechanism underlying the spatio-temporal organization remains poorly understood. We propose that the DNA adopts a specific polymer topology as it goes through its cell cycle. We establish that the emergent entropic forces between polymer segments of the DNA-polymer with modified topology, leads to chromosome organization as seen in-vivo. We employ computer simulations of a replicating bead spring model of a polymer in a cylinder to investigate the problem. Our simulation of the overlapping cell cycles not only show successful segregation, but also reproduces the evolution of the spatial organization of the chromosomes as observed in experiments. This manuscript in addition to our previous work on slowly growing bacterial cells, shows that our topology-based model can explain the organization of chromosomes in all growth conditions.

研究の動機と目的

• 重複する細胞周期と多叉複製を示す高速成長状態における *E. coli* の空間的染色体組織化のメカニズムを理解すること。
• 閉じたリングポリマーにおける位相的制約から生じるエントロピー的力が、生体内で観察された染色体構造を説明できるかどうかを検証すること。
• 単一のポリマー物理学的枠組みを用いて、遅い成長状態と速い成長状態の両方における染色体組織化を統合的に説明すること。
• 複製フォークのダイナミクスが空間的組織化の結果であるのではなく、その原因であるという仮説を検証すること。

提案手法

• 粗粒度化されたビーズスプリングモデルを用いて、*E. coli* 染色体を細胞に類似した円筒型の閉じ込められた領域内に閉じ込められた位相的変更を受けるリングポリマーとしてシミュレートする。
• リンクャーたんぱく質を模倣するために特定の遺伝子座に架橋を導入し、安定したループを形成することでポリマーの位相的性質とエントロピー的相互作用を変化させる。
• モンテカルロシミュレーションによりポリマーの局所的拡散と緩和を可能にし、時間経過とともにエントロピー的力が自己組織化を駆動することを可能にする。
• 実験的成長条件に一致するように、C期間（55分）とD期間（44分）を定義した重複する細胞周期をモデルに組み込む。
• 複製は、2つの複製フォークが染色体に沿って進行するトレイントラック方式としてモデル化され、位相的性質と閉じ込められた環境が空間的分離を導く。
• トポイソメラーゼに類似した作用を、局所的な位相的ストレスを緩和するために定期的にモノマーの直径を小さくすることでシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高速成長状態において、複数の複製ラウンドが同時に進行する条件下で、*E. coli* 染色体はどのように空間的組織化を達成するのか？
• RQ2 閉じたリングポリマーにおける位相的制約から生じるエントロピー的力が、oriC、dif-ter、および複製フォークの観察された分離を説明できるか？
• RQ3 位相性に基づくポリマー・モデルが、ライブセルイメージング実験で観察された径方向および軸方向の組織化をどの程度再現できるか？
• RQ4 染色体の空間的組織化は、複製フォークの位置決めの原因であるのか、それとも結果であるのか？
• RQ5 同じ物理的原理が、遅い成長状態と速い成長状態の両方における染色体組織化を説明できるか？

主な発見

• モデルは、細胞の長軸に沿ったoriCおよびdif-ter遺伝子座の空間的分離を成功裏に再現し、実験的観察と一致している。
• 架橋されたループの導入により、特定の遺伝子座に対して二峰性の径方向分布が得られ、染色体アームの明確な位置決めを示す生体内イメージングデータと整合的である。
• シミュレーションでは、複製フォークがポリマーの位相的構造から自然に特定の位置に局在することが示され、積極的に誘導されているわけではない。
• 大きなループ内に存在する小さなサブループの存在が、短軸に沿った染色体アームの分離を強化し、実験的径方向組織化を模倣している。
• モデルは、重複する細胞周期に伴う時間発展に伴う染色体組織化の進化を再現しており、複製フォークの動的配置も再現している。
• 結果は、複製フォークのダイナミクスが事前に存在する空間的組織化の結果であるという仮説を支持しており、その原因ではないことを示している。