质粒101:重复的严格调节

作者:jason niehaus.

质粒利用宿主细胞的复制机制进行复制。如我们先前所述起源的复制后,DNA复制在ORI开始,可能与宿主细胞的染色体DNA复制同步,也可能独立于宿主的细胞周期。

据说质粒是下面的严格的控制当它们依赖于宿主细胞合成的发起蛋白质的存在以开始自己的复制时复制。通常,这些类型的质粒往往很低拷贝数。相反地,能够独立于宿主的起始蛋白而启动DNA复制的质粒被称为“被抑制”放松控制,因为它们只需要宿主的复制机制来延长和终止。这些类型的质粒趋向于高拷贝数。

在这里,我们将考虑在细菌严格对照中进行质粒的复制机制,例如pSC101。这些类型的质粒共享相同的宿主蛋白,使复制作为细菌染色体开始。细菌中的染色体复制被仔细调节,以确保它在给定的细胞寿命中适当的时间发生(即,细胞必须具有足够的营养物以完成整个回合的复制)。由于在细菌中的DNA复制的主要控制点是开始,因此开始复制所需的一系列步骤是仔细控制的过程平衡正极和负调节器。启动开始于ORI - 一种DNA的区域,其中引发蛋白可以结合并开始放松并分离DNA链,暴露未配对的核苷酸并允许参与DNA合成中的其他募集的蛋白质形成将持续的稳定的DNA蛋白复合物这个过程。

细菌中的DNA复制和调控

在看一个例子中的质粒之前,让我们看看如何大肠杆菌细菌通常复制它们的染色体DNA。基因组大肠杆菌大约460万个底座,包含单一的复制起源(oriC)。ORI中有三个富含A-T的重复序列,有利于起始蛋白结合时DNA链的分离,DnaA在特定的位点(dna盒子)。ORI的其他区域允许与调控蛋白结合,形成DNA-蛋白质复合物,该复合物可以招募解旋酶,解旋酶可以解开和打破DNA链之间的氢键。T通过螺旋酶的动作来创建WO复制叉,并沿远离ORI相反的方向移动。DNA聚合酶完成每个形成起始复合物并合成新的DNA链。染色体DNA中的终止序列确保了一旦复制叉到达染色体的另一端,解旋酶就会从DNA中释放到终止复制。

DNA复制大肠杆菌主要通过DNAA调节。由于对启动复制的DNAA结合到ORI,因此细胞能够通过可用DNAA的量控制复制。在复制循环之后,可以在复制循环之后,降低可用DNAA与可用结合位点的数量的比率降低,使得平均DNAA水平在另一个循环开始之前需要增加。DNAA也负面调节自己的表达,使高水平的DNAA充当反馈机制,以减少进一步转录。复制也可以通过活性和无活性DNAA水平之间的平衡来调节。在与ori结合时启动复制所需的DNAA的活性形式是受ATP的结合,并且更可能存在于具有过量ATP的主动生长细胞中。

通过DNA甲基化状态也调节复制:在开始之前,DNA链必须甲基化。新合成的DNA主要甲基化(DNA腺嘌呤甲基转移酶)可能开始在通过DNA聚合酶的短段后不久开始甲基化新合成的女儿链。这大肠杆菌Origin包含11个甲基化位点;复制后,有一个不应期,在此期间子链在这些位点未被甲基化,只有当子链被甲基化后,复制才能再次开始。

这些监管机制大肠杆菌允许受控复制染色体,平衡人口增长复制的必要性,具有可持续性和整体健康和人口的健康。

质粒DNA的复制和调控

对于严格控制的质粒,复制与细菌宿主的细胞周期紧密耦合,以保持稳定的质粒浓度。如果一个质粒的复制速度太慢,它最终会消失;然而,高复制率也不可取,因为它会给宿主造成负担,并会减缓细胞生长,在极端情况下,会导致细胞死亡。类似于复制大肠杆菌,调节主要通过控制复制的启动来进行。一旦达到了给定质粒的平均拷贝数,负反馈电路会减少质粒的复制以平衡总质粒数。


PSC101复制pSC101是一种低拷贝数的质粒,其复制过程与oriC in相似,只有一个复制起点大肠杆菌并且需要相同的DNAA蛋白来启动复制。恰如其命名大肠杆菌蛋白质整合主因子(IHF.) 和回购,由PSC101本身编码的蛋白质,完成PSC101复制子的三个遗传组分。如图到上所示,IHF与PSC101 ORI的A-T富区域的靶序列结合,以弯曲DNA并促进DNAA的结合。REPA绑定到直接重复的序列,称为位于ORI附近的迭代器,并直接与DNAA与DNAA相互作用。这两种机制稳定了DNAA结合,并导致DNA链之间的氢键破碎,以促进原点在原产地的启动。由IHF的作用和REPA-DNA-DNAA复合物形成的起始复合物螺旋酶转移到源两端的复制分叉上。解旋酶继续从这些复制叉中解开DNA,然后DNA聚合酶合成新的子股。类似于大肠杆菌,复制在两个复制叉的复制复合物相遇的质粒中出现的终止序列处终止。

由于pSC101的复制依赖于宿主编码的蛋白,如IHF和DnaA,质粒复制可以通过这些蛋白的浓度间接进行调控。类似的包含质粒编码的RepA蛋白的负反馈循环允许pSC101的拷贝数控制,因为RepA不仅与迭代子结合以启动复制,而且在更高浓度下,RepA与RepA启动子中的反向重复序列结合,减少其自身的表达,从而减少pSC101的整体复制。这种通过RepA的双重功能调节质粒复制的机制对宿主来说是一种高效的系统,因为迭代子与质粒拷贝数成正比,不需要额外的宿主成分。

受到严格复制控制的质粒在起始所需的特殊蛋白或序列或调控其复制的机制上可能有所不同,但它们的复制数量总是受到宿主起始蛋白使用的限制。这些质粒聪明地进化,通过平衡它们的拷贝数和补偿附加在宿主身上的代谢成本(通常是有益的功能)来确保它们的繁殖抗生素耐药性)。


参考

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3.Vocke, Cathy和Deepak Bastia。质粒pSC101的基本复制子的初级结构国家科学院的诉讼程序80.21(1983): 6557 - 6561。PubMedPMID:6579542。公共医学中心PMCID:PMC390392

4.Feinbaum,Rhonda。“质粒生物学介绍。”分子生物学的当前方案(2001): 1 - 5。PubMedPMID:6579542.公共医学中心PMCID:PMC390392

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