[논문 리뷰] Fluctuations in growth rates determine the generation time and size distributions of E. coli cells

Mats Walldén, David Fange외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 13.

DNA and Nucleic Acid Chemistry인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 동일한 유전자형을 가진 E. coli 집단에서 세포 간 성장 속도의 변동이 관측된 분열 크기 및 세대 시간 분포를 설명하는 데 충분하다고 보여준다. 단일 분자 현미경과 기계적 모델을 사용하여 저자들은 고정된 원형 당 단위 부피에서 염색체 복제가 시작되고, 성장 속도에 따라 변하는 지연 후에 세포 분열이 일어남을 보여주며, 이는 부피 기반의 시작 이외에 추가적인 조절이 최소한으로 필요하다는 것을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고정 조건 하에서 E. coli 세대 시간과 크기의 세포 간 변동의 근본 원인을 이해하기 위해.
• 성장 속도 변동만으로 관측된 분열 크기 및 시간 분포를 설명할 수 있는지 확인하기 위해.
• 부피에 의존하는 복제 시작과 고정된 지연 시간에 기반한 최소한의 기계적 모델이 실험 데이터를 재현할 수 있는지 테스트하기 위해.
• E. coli 세포 주기 조절을 위해 부피 감지 이외의 추가 조절 메커니즘이 필요한지 평가하기 위해.

제안 방법

• 개별 E. coli 세포에서 복제 기계의 위치를 시각화하기 위해 단일 분자 형광 현미경을 사용하였다.
• 생존하는 이소지질 세포에서 세포 주기 단계—염색체 복제 시작과 세포 분열—를 시간에 따라 추적하였다.
• 시간 간격 영상 데이터에서 개별 세포의 성장 속도, 분열 크기 및 세대 시간을 측정하였다.
• 복제 시작이 고정된 원형 당 세포 부피에서 일어남을 가정하는 기계적 모델을 제안하였다.
• 각 복제 시작 사건이 세포의 성장 속도에 따라 의존하는 시간 지연 후에 세포 분열로 이어진다고 가정하였다.
• 모델을 사용하여 크기 및 세대 시간 분포를 시뮬레이션하고 실험 데이터와 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 개별 세포의 성장 속도 변동이 E. coli 세포 크기 및 분열 시기의 관측된 변동성에 얼마나 기여하는가?
• RQ2 DNA 복제의 부피 기반 시작이 관측된 크기 및 시기 분포를 설명하는 데 충분한가?
• RQ3 복제 시작과 세포 분열 사이의 지연 시간은 성장 속도에 따라 달라지며, 만약 그렇다면 어떤 방식으로 달라지는가?
• RQ4 부피에 의존하는 시작과 성장 속도에 의존하는 지연 시간에 기반한 최소한의 모델이 추가 조절 없이도 실험 데이터를 재현할 수 있는가?
• RQ5 관측된 변동성에 비추어 복잡한 조절 메커니즘이 E. coli 세포 주기 조절에서 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 세포 간 성장 속도의 변동만으로도 이소지질 E. coli 집단에서 관측된 분열 크기 및 세대 시간 분포를 설명할 수 있다.
• 복제 시작은 성장 속도와 무관하게 고정된 원형 당 세포 부피에서 일어난다.
• 복제 시작과 세포 분열 사이의 시간 지연은 성장 속도에 반비례한다. 즉, 빠르게 성장하는 세포는 시작 후 빨리 분열한다.
• 제안된 모델에 기반한 시뮬레이션은 실험적으로 관측된 크기 및 세대 시간 분포를 정량적으로 재현한다.
• 모델은 부피 기반 시작 이외에 추가적인 조절 메커니즘이 필요 없다는 것을 암시한다.
• 이 연구는 높은 세포 간 변동성에도 불구하고 정밀한 게놈 복제 시기 유지라는 역설을 해결한다.