[论文解读] 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 3

一句话总结

该论文提出，在快速生长条件下，由于细胞周期重叠导致多叉复制，拓扑修饰的DNA环之间的熵驱动排斥力可组织大肠杆菌染色体。通过在圆柱形受限空间中对珠簧聚合物模型进行蒙特卡洛模拟，成功再现了实验观测到的oriC、dif-ter和复制叉的空间分离，证明仅靠熵力即可驱动染色体的自组织，而无需活性马达蛋白。

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.

研究动机与目标

• 理解在细胞周期重叠且发生多叉复制的快速生长大肠杆菌中，染色体空间组织的形成机制。
• 检验由受限环状聚合物中拓扑约束产生的熵力是否能解释观测到的活体内染色体结构。
• 使用单一聚合物物理框架统一解释慢速和快速生长条件下的染色体组织机制。
• 验证染色体空间组织是复制叉动态的后果而非其原因这一假设。

提出的方法

• 使用粗粒化的珠簧模型，将大肠杆菌染色体模拟为受限于圆柱形容器状细胞体积内的拓扑修饰环状聚合物。
• 在特定位点引入交联以模拟连接蛋白，形成稳定的环结构，从而改变聚合物的拓扑结构和熵相互作用。
• 蒙特卡洛模拟实现聚合物的局部扩散与松弛，使熵力能够随时间驱动自组织过程。
• 模型中引入了重叠的细胞周期，C期和D期分别设定为55分钟和44分钟，与实验生长条件一致。
• 复制被建模为一种列车轨道式过程，两个复制叉沿染色体推进，同时拓扑结构和受限环境引导空间分离。
• 通过定期减小单体直径来模拟拓扑异构酶样作用，以缓解局部拓扑应力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在快速生长条件下，当多个复制轮次同时发生时，大肠杆菌染色体如何实现空间组织？
• RQ2 受限环状聚合物中由拓扑约束产生的熵力是否能解释oriC、dif-ter和复制叉的观测分离？
• RQ3 基于拓扑的聚合物模型在多大程度上能再现活细胞成像实验中观察到的径向和轴向组织结构？
• RQ4 染色体的空间组织是复制叉定位的原因还是结果？
• RQ5 相同的物理原理能否解释慢速和快速生长条件下的染色体组织？

主要发现

• 该模型成功再现了oriC和dif-ter位点沿细胞长轴的空间分离，与实验观测结果一致。
• 引入交联环结构后，某些位点呈现出双峰径向分布，与活体成像数据中染色体臂的明确定位一致。
• 模拟显示复制叉在染色体上的特定位置定位，这种定位源于聚合物的拓扑结构，而非主动引导。
• 在大环内形成的小环结构可增强染色体臂沿短轴的分离，模拟了实验中观察到的径向组织。
• 该模型再现了染色体组织随时间的演化过程，包括在重叠细胞周期中复制叉的动态定位。
• 结果支持了复制叉动态是预先存在的空间组织的结果而非其驱动因素的假设。