[논문 리뷰] Topology mediated organization of E.coli chromosome in fast growth conditions

Shreerang Pande, Debarshi Mitra외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 05.

Evolution and Genetic DynamicsBiochemistry, Genetics and Molecular Biology인용 수 3

한 줄 요약

논문은 빠른 성장 조건에서 중복되는 세포 주기와 다중 복제를 유도하는 상황에서, 위상적으로 수정된 DNA 고리 간의 엔트로피 기반 반발력이 *E. coli* 염색체를 조직화한다고 제안한다. 실린더형 구속 조건 내에서 범죄-스프링 고분자 모델을 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 oriC, dif-ter 및 복제 포인트의 실험적으로 관찰된 공간적 분리 현상을 재현하였으며, 활성 모터 단백질이 없이도 엔트로피력만으로도 임의의 염색체 조직이 유도될 수 있음을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 빠른 성장 조건에서 중복 세포 주기를 가지며 다중 복제를 하는 *E. coli*에서 공간적 염색체 조직의 메커니즘을 이해하기 위해.
• 구속된 고리 고분자에서 기인하는 위상적 제약 조건으로부터 발생하는 엔트로피력이 실제로 관찰된 생체 내 염색체 구조를 설명할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 느린 성장과 빠른 성장 조건에서 모두 통일된 고분자 물리학 프레임워크를 사용해 염색체 조직을 설명하기 위해.
• 복제 포인트 역학이 조직화의 결과이지 원인이 아니라는 가설을 검증하기 위해.

제안 방법

• 粗모델링된 범죄-스프링 모델을 사용하여 *E. coli* 염색체를 구형 세포 유사 부피 내에 봉인된 위상적으로 수정된 고리 고분자로 시뮬레이션한다.
• 링커 단백질을 모방하기 위해 특정 위치에 교차 결합을 도입하여 안정적인 고리를 형성하고, 고분자의 위상과 엔트로피 상호작용을 변화시킨다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 고분자의 국소적 확산과 완화를 가능하게 하여, 시간이 지남에 따라 엔트로피력이 자가 조직화를 이끌도록 한다.
• 실험적 성장 조건을 반영하기 위해 정의된 C기(55분)와 D기(44분)를 포함한 중복 세포 주기를 모델링한다.
• 복제를 두 복제 포인트가 염색체를 따라 진행하는 트레인트랙 방식으로 모델링하며, 위상과 구속 조건이 공간적 분리를 이끌도록 한다.
• 지속적으로 단위체의 직경을 줄여 국소적 위상 스트레스를 완화함으로써 토포이소머라스 유사 행동을 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빠른 성장 조건에서 여러 복제 라운드가 동시에 발생할 경우 *E. coli* 염색체는 어떻게 공간적 조직을 달성하는가?
• RQ2 구속된 고리 고분자에서 기인하는 위상적 제약 조건으로부터 발생하는 엔트로피력이 oriC, dif-ter 및 복제 포인트의 관찰된 분리를 설명할 수 있는가?
• RQ3 위상 기반 고분자 모델이 실시간 세포 영상 실험에서 관찰된 반경 및 축 방향 조직을 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ4 염색체의 공간적 조직은 복제 포인트 위치의 원인인가, 결과인가?
• RQ5 동일한 물리적 원리가 느린 성장과 빠른 성장 조건 모두에서 염색체 조직을 설명하는 데 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 세포의 긴 축을 따라 oriC 및 dif-ter 위치의 공간적 분리를 성공적으로 재현하였으며, 실험적 관찰과 일치한다.
• 교차 결합된 고리를 도입함으로써 특정 위치의 반경 분포가 이중 최빈값을 보이며, 생체 내 영상 데이터에서 관찰된 염색체 끝의 명확한 위치와 일치한다.
• 시뮬레이션 결과 복제 포인트가 고분자의 위상적 구조에서 유래한 특정 위치에 국소화되며, 활성적으로 유도되지 않음을 보여준다.
• 더 큰 고리 내부에 존재하는 더 작은 하위 고리들이 짧은 축을 따라 염색체 끝을 강화하여 분리시키며, 실험적 반경 조직을 모방한다.
• 모델은 중복 세포 주기 동안의 시간에 따른 염색체 조직의 변화를 재현하며, 복제 포인트의 동적 위치 변화도 재현한다.
• 결과는 복제 포인트 역학이 사전 존재하는 공간적 조직의 결과이지 그 원인이 아니라는 가설을 지지한다.