[论文解读] Fluctuations in growth rates determine the generation time and size distributions of E. coli cells

Mats Walldén, David Fange+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2015

DNA and Nucleic Acid Chemistry被引用 4

一句话总结

本研究表明，同源大肠杆菌群体中细胞间生长速率的波动足以解释观察到的分裂大小和世代时间的分布。通过单分子显微镜和机制模型，作者表明染色体复制起始发生在每个复制子的固定体积处，随后在依赖于生长速率的延迟后发生分裂，表明除基于体积的起始外，几乎不存在额外的调控机制。

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.

研究动机与目标

• 理解在恒定条件下大肠杆菌世代时间和大小的细胞间变异来源。
• 确定生长速率波动是否足以解释观察到的分裂大小和时间分布。
• 检验基于体积依赖性复制起始和固定延迟至分裂的最小机制模型是否能重现实验数据。
• 评估在大肠杆菌细胞周期调控中，是否需要超出体积感应的额外调控机制。

提出的方法

• 采用单分子荧光显微镜技术，可视化单个大肠杆菌细胞中复制机器（如DnaX-GFP）的位置。
• 在活体同源细胞中，随时间追踪细胞周期阶段——染色体复制起始和细胞分裂。
• 从延时成像数据中测量单个细胞的生长速率、分裂大小和世代时间。
• 提出一个机制模型，其中复制起始发生在每个复制子区域的固定细胞体积处。
• 假设每次起始事件后，细胞在依赖于其生长速率的时间延迟后发生分裂。
• 利用该模型模拟大小和世代时间分布，并与实验数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 细胞间生长速率波动在多大程度上解释了大肠杆菌细胞大小和分裂时间的观测变异？
• RQ2 基于体积的DNA复制起始是否足以解释观测到的大小和时间分布？
• RQ3 复制起始与细胞分裂之间的延迟是否依赖于生长速率，如果是，其关系如何？
• RQ4 基于体积依赖性起始和生长速率依赖性延迟的最小模型是否能在无需额外调控的情况下重现实验数据？
• RQ5 在观察到的变异性背景下，额外调控机制在大肠杆菌细胞周期调控中的作用是什么？

主要发现

• 仅细胞间生长速率的波动就足以解释同源大肠杆菌群体中观察到的分裂大小和世代时间分布。
• 复制起始发生在每个复制子区域的固定细胞体积处，与生长速率无关。
• 复制起始与细胞分裂之间的时间延迟与生长速率成反比，即生长速率越快的细胞在起始后越快分裂。
• 基于所提模型的模拟定量再现了实验观测到的大小和世代时间分布。
• 该模型表明，无需超出基于体积的起始的额外调控机制即可解释数据。
• 本研究解决了尽管细胞间生长和分裂的变异性很高，但基因组复制时间却极为精确的悖论。