[论文解读] 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 18

一句话总结

本研究提出，空间位阻相互作用与非平衡mRNA动力学共同驱动大肠杆菌细菌核区的时空组织。通过采用维里展开和反应-扩散方程的统计物理模型，研究表明仅排斥体积效应即可导致平衡相分离，使DNA压缩成核区；而mRNA的合成与降解则产生非平衡力，将核区定位在细胞中点，并在细胞生长过程中驱动其分裂为叶状结构。该模型定量再现了在丝状生长条件下实验观测到的核区大小与定位。

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.

研究动机与目标

• 识别驱动细菌核区空间组织的物理机制，该结构虽无膜包被，但仍保持紧凑且动态定位。
• 确定转录-翻译机器（TTM）组分（DNA、mRNA与核糖体）之间的位阻相互作用是否可在无需主动调控的情况下驱动核区形成与定位。
• 研究非平衡过程（特别是mRNA合成与降解）如何在细胞生长过程中促进核区定位与分裂。
• 将模型预测与不同生长速率和mRNA水平下丝状生长的大肠杆菌实验数据进行定量比较。
• 建立一个最小化、基于物理原理的模型，从分子尺度的位阻与动力学效应解释核区组织。

提出的方法

• 构建大肠杆菌转录-翻译机器（TTM）的一维半解析统计物理模型，将三维细胞质简化为沿细胞长度的一维轴。
• 应用维里展开计算局域自由能，纳入DNA片段、mRNA与核糖体/多聚核糖体球形近似之间的位阻（排斥体积）效应。
• 使用反应-扩散方程模拟浓度的时间演化：cDNA(x,t) 表示DNA，ρn(x,t) 表示多聚核糖体（含n个核糖体的mRNA），cF(x,t) 表示游离核糖体。
• 通过mRNA合成（α）、降解（β）及核糖体结合/解离（kon, koff）引入非平衡动力学，时间积分采用后向差分公式（BDF）。
• 利用带约束的基于梯度的优化（NLopt库）执行自由能最小化，以获得稳态分布。
• 将参数（生长速率、mRNA浓度、降解速率）线性缩放为细胞长度，以匹配实验中的丝状生长数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅靠位阻相互作用——无需主动力或调控蛋白——是否足以解释细菌核区的形成与大小？
• RQ2 何种物理机制解释了大肠杆菌在染色体复制前后核区定位于细胞中点的现象？
• RQ3 非平衡mRNA动力学（合成与降解）如何在细胞生长过程中促进核区在1/4与3/4位置的分裂与定位？
• RQ4 当mRNA池耗尽时，核区扩张程度如何？该现象能否被模型定量解释？
• RQ5 在长丝状细胞中，模型是否预测核区叶状结构的特征尺度？

主要发现

• 仅通过排斥体积效应产生的位阻相互作用即可驱动平衡相分离，解释核区的形成与紧凑大小，而无需依赖主动过程或染色体蛋白。
• 核区的中点定位是一种非平衡现象，由mRNA的合成与降解产生压力不平衡，从而将核区中心化。
• 随着细胞生长，持续的mRNA生成导致核区分裂为两个叶状结构，叶状体分别定位于细胞长度的1/4与3/4处，与实验观测一致。
• 该模型定量再现了mRNA耗尽后实验观测到的核区扩张现象，证实mRNA是核区大小的关键调节因子。
• 在长丝状细胞（>8 µm）中，模型预测出现多个核区叶状结构（例如在~16 µm处出现三个叶状体），表明叶状体的特征尺寸约为5 µm。
• 在无非平衡反应的情况下，模型预测达到平衡时仅形成一个对称的核区，确认中点定位为非平衡效应。