Внутренний «часовой механизм» определяет время деления клеток у бактерий

Исследователи из Biozentrum Базельского университета обнаружили «часовой механизм», контролирующий деление клеток у бактерий. В двух публикациях, в Nature Communications и PNAS, они сообщают, как небольшая сигнальная молекула запускает часы, которые сообщают клетке о правильном времени для размножения.

Скорость деления бактерий сильно зависит от условий окружающей среды. При неблагоприятных условиях, таких как нехватка питательных веществ, бактерии, как правило, делают паузу после деления и размножаются медленнее. Но как бактерии узнают, когда настало время вступить в следующий раунд деления?

Команда под руководством профессора Урса Йеналя из Biozentrum Базельского университета идентифицировала центральный переключатель для размножения у модельной бактерии Caulobacter crescentus: сигнальную молекулу c-di-GMP. В своём исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, они сообщают, что эта молекула запускает «часовой» механизм, который определяет, будут ли отдельные бактерии размножаться.

Сигнальная молекула регулирует «часовой механизм» у бактерий

Сигнальная молекула c-di-GMP играет ключевую роль в этом процессе. «Повышение уровня c-di-GMP приводит в действие отдельные шестерёнки клеточных часов одну за другой», — объясняет Йеналь. «Этими шестерёнками являются ферменты, называемые киназами. Они подготавливают переход клетки из фазы покоя в фазу деления».

Ферменты реагируют на уровень c-di-GMP

При благоприятных условиях жизни новорождённые бактерии начинают производить сигнальную молекулу — это запускает ход часов. Изначально низкий уровень c-di-GMP активирует первую киназу. Это активирует экспрессию более 100 генов, которые направляют клетку к делению и стимулируют производство c-di-GMP.

Получающиеся пиковые уровни c-di-GMP, наконец, стимулируют последнее колесо механизма, также являющееся киназой. «На этом этапе клетка окончательно решает реплицировать свою ДНК и запустить деление», — поясняет Йеналь. «Одновременно более 100 генов снова выключаются, так как они важны только для переходной фазы, но мешают более поздним стадиям пролиферации».

Новый механизм активации ферментов c-di-GMP

В параллельном исследовании, недавно опубликованном в PNAS, команда под руководством профессора Тилмана Ширмера, также из Biozentrum Базельского университета, описывает на атомном уровне, как c-di-GMP активирует первую шестерёнку вновь открытых часов.

Исследователи выяснили, что подвижные домены киназы изначально зафиксированы в определённом положении. Связывание c-di-GMP высвобождает домены, тем самым активируя киназу для экспрессии генов. «В нашем исследовании мы обнаружили новый способ опосредованной c-di-GMP активации», — говорит Ширмер. «Нас вновь поражает разнообразие «стратегий» этой маленькой молекулы для регуляции биохимических процессов».

Универсальный принцип размножения бактерий

Регулирование времени клеточного цикла бактерий с помощью сигнальной молекулы c-di-GMP, по-видимому, является универсальным механизмом. Исследователи предполагают, что этот механизм позволяет бактериям точно координировать рост и развитие. Выяснение этого нового механизма также способствует лучшему пониманию роста бактериальных патогенов.