A mechanistic understanding of bacterial chromosome organisation

Chromosomen dienen als Speicher für genetische Informationen, die für das Überleben aller lebenden Organismen entscheidend sind. Bakterien, in ihrer Einfachheit, bieten ein ideales Modell zur Untersuchung der Komplexität der Chromosomendynamik. Trotz ihres Mangels an Kompartimentierung zeigen bakterielle Chromosomen eine räumlich-zeitliche Organisation, ähnlich wie eukaryotische Zellen. Allerdings ist das Verständnis der Mechanismen der bakteriellen Chromosomenorganisation und -segregation, insbesondere bei dem ausgiebig erforschten Modellorganismus Escherichia coli, noch unvollständig. Bei E. coli, wie bei den meisten Bakterien, ist der Origin of replication der erste Teil des Chromosoms, der repliziert und segregiert wird. Während bei anderen Bakterien zentromerähnliche Sequenzen zur Segregation des Chromosoms identifiziert wurden, wurden bei E. coli noch keine entdeckt. Der SMC-Komplex, der DNA bindet, zu dem Origin hingezogen wird und mit dem Origin während des gesamten Zellzyklus kolokalisiert, wurde als wichtiger Bestandteil für Positionierung und Segregation identifiziert. Allerdings wurde bisher noch keine DNA-Sequenzen bestimmt, welche diese Interaktionen begünstigen. Unsere Studie begann mit einem umfassenden genomischen Screening, um zentromerähnliche DNA-Sequenzen zu identifizieren, die die Origin Positionierung in E. coli begünstigen könnten. Unsere Hypothese wurde durch die Beobachtung motiviert, dass spezifische Chromosomenregionen, wenn sie in instabilen Plasmiden mit geringer Kopienzahl vorhanden sind, zu deren aktiver Positionierung und Aufrechterhaltung führen. Wir fanden heraus, dass zwei Loci im E. coli-Genom, in der Nähe der spoT- und seqA-Gene, einem instabilen Plasmid ein moderates Maß an Stabilität verleihen. Der Stabilitätseffekt des spoT-Locus ist stammspezifisch, während der seqA-Locus eine Stabilität aufweist, die über verschiedene Stämme hinweg konsistent ist. Aufgrund von Zeitbeschränkungen bleibt der genaue Mechanismus für letzteres unidentifiziert. Unsere Ergebnisse in diesem Stadium stützen die etablierte Ansicht der Nichtexistenz einer zentromerähnlichen DNA-Sequenz für die Origin Positionierung im E. coli-Genom. Obwohl Origin oft im Fokus vieler Studien ist, spielt auch die Terminus region - das letzte Chromosomensegment, das eine Replikation und Segregation durchläuft - eine entscheidende Rolle bei der Zellteilung, indem sie die gleichmäßige Verteilung des genetischen Materials zwischen Tochterzellen gewährleistet. In langsam wachsenden E. coli-Zellen wandert Terminsregion während des Zellzyklus vom neuen Pol zur Mitte der Zelle. Im Gegensatz zu anderen Chromosomensegmenten ist Terminus region für den größten Teil des Zellzyklus in der Zellmitte positioniert, selbst nach ihrer Verdoppelung. Das Verständnis des Verhaltens von Ter bietet umfassende Einblicke in verschiedenste Aspekte der bakteriellen Chromosomenorganisation und -segregation. Mit einem Hochdurchsatz-Ansatz auf Einzelzellenebene verfolgten wir Zehntausende von Zellzyklen, um den Übergang der Terminsregion vom neuen Pol zur Zellmitte quantitativ zu analysieren und ihre Beziehung zu verschiedenen Zellzyklusereignissen zu untersuchen. Wir fanden heraus, dass die Zentralisierung des Termins, ein schnelles diskretes Ereignis, eng mit dem Abschluss der Ori-Segregation verbunden ist, selbst in Abwesenheit seiner Verknüpfung mit dem Divisom. Dies enthüllte eine zuvor unerforschte Beziehung zwischen Origin und Terminus regionen des Chromsoms. Darüber hinaus entdeckten wir, dass E. coli unter Bedingungen langsamen Wachstums eine längsorientierte Chromosomenorganisation aufweist. Zusammenfassend hat unsere Forschung unser Verständnis der Chromosomen organisation in E. coli erheblich erweitert und den Weg für die Anwendung unserer Methoden auf die Untersuchung der Chromosomenorganisation in anderen Bakterienarten geebnet.