Značilnosti bakterijskih kromosomov

V bakterijski celici se praviloma nahaja en krožni kromosom, ki pa se ne razteza čez celotno celico, ampak zavzema le majhen del njenega volumna. Bakterije nimajo celičnega jedra; njihova DNA se organizira v strukture, imenovane nukleoidi. To je ločena struktura, ki zavzema določeno regijo znotraj bakterijske celice, vendar ostaja dinamična. Glede na funkcijo je sorodna jedru pri evkariontih. Seveda pa imajo bakterije poleg krožnega kromosoma tudi enega ali več palzmidov, ki nosijo dodatne informacije in so biotehnološko pomembni.

Organizacija in zgradba bakterijskega kromosoma

Kondenzacija DNA

Povprečen bakterijski genom obsega 4 Mbp, pri čemer nastopi problem, kako zbasati približno 1,3 milimetra dolgo DNA-molekulo v celico tipične velikosti 1–2 µm. Pri evkariontih je ta problem spretno odpravljen z navijanjem DNA na histone, pri bakterijah pa česa podobnega niso odkrili. Pomemben dejavnik pri kompaktnosti kromosoma predstavlja negativno dodatno zvita molekula DNA, ki nastane, ko se v sproščeni obliki dve verigi zavijeta okoli vijačne osi (to se zgodi na vsakih 10.6 baznih parov). Pri tem imata pomembno vlogo tudi dve skupini proteinov: small nucleoid-associated proteini (»histone-like«) in structural maintenance of chromosomes (SMC) kompleksi. Tem proteinom je skupno, da se vežejo na DNA, s čimer sodelujejo v kondenzaciji. Pri kondenzaciji sodelujejo tudi nekateri drugi faktorji, kot je na primer sladkorni transporter SetB (pri E. coli), vendar pa njihova točna vloga še ni docela razjasnjena.

Topološka struktura

Že zgodnje biokemijske študije dokazujejo obstoj preprek, ki delijo kromosom na številne topološko samostojne domene (zanke). Kromosom po obliki spominja na rozeto s središčem, iz katerega radialno izraščajo te zanke. Pri nastajanju teh domen dodatno zvite DNA imajo ključno vlogo že pri kondenzaciji omenjeni proteini. DNA je manj kompaktno zvita kot pri evkariontih, ker mora biti zaradi manjšega števila različnih spojin, ki so kodirane, in aktivnejšega metabolizma vedno na voljo.

Podvajanje bakterijske DNA

Iniciacija

Začetno mesto replikacije se imenuje oriC in je sestavljeno iz 245 baznih parov. To je zbirno mesto za encime, ki bodo tvorili replikacijske vilice. Sestoji iz sekvence DNA, ki jo prepozna protein DnaA (DnaA škatle). DnaA, vezan na ATP, ob pomoči HU (histone-like proteins) sprosti AT-bogato regijo v bližini mesta oriC in razpre dvovijačno DNA, da lahko zraven pridejo še ostali replikacijski proteini. Ta regija prav tako vsebuje štiri sekvence GATC, ki jih prepozna DNA adenin metilaza – encim, ki metilira adenin, kadar je ta sekvenca nemetilirana. Ta modifikacija pripomore k ločitvi vijačnic. Nato DnaB - helikaza razpne dvojno vijačnico. Da se lahko podvojevanje nadaljuje, so potrebni proteini, ki z vezavo na verigi preprečijo nastanek sekundarnih struktur in ponovno združevanje.

Podaljševanje

Ko se replikacijske vilice premikajo, nastane struktura v obliki grške črke theta. Theta-replikacija krožnih kromosomov poteka v dveh smereh. Sinteza vodilne verige se začne s sintezo kratkega RNA-primer-ja, kar katalizira encim primaza (DnaG). Za podaljševanje verig skrbi DNA polimeraza III holoencim, encim, sestavljen iz dveh podenot. Ena podenota skrbi za neprekinjeno podaljševanje vodilne verige, druga pa kroži od enega Okazakijevega fragmenta na zaostajajoči verigi do drugega. Ko je sinteza Okazakijevega fragmenta zaključena, se podvojevanje ustavi in DNA polimeraza III disociira z beta drsne vponke. DNA polimeraza I zamenja RNA-primer z DNA, DNA ligaza pa združi te fragmente.

Terminacija

Regija, kjer se podvojevanje konča, se nahaja približno nasproti oriC na kromosomu. Ta regija vsebuje več terminatorskih mest (krajše: Ter). Na ta mesta se vežejo posebni proteini, ki zaustavijo replikacijo. Ter-mesta najpogosteje interagirajo s terminacijskim proteinom Tus pri E. coli. Po končani replikaciji sta kromosoma interno povezana. Pri tem igra ključno vlogo topoizomeraza, ki ju loči (topoizomeraza IV pri E. coli).

Segregacija (ločitev) bakterijskih kromosomov po replikaciji DNA

Po replikaciji krožne DNA se morata hčerinska kromosoma ločiti in odpotovati vsak na svojo stran celice, da lahko na novo nastala celična stena pri bakterijski fiziji razdeli celico na dve hčerinski, ki imata vsaka svoj krožni kromosom. Pri evkariontih se sestrski kromatidi ločita s pomočjo aktivnega sistema delitvenega vretena, ki je zelo dobro raziskan v primerjavi s segregacijo kromosomov pri bakterijah. Za pojasnitev premikanja bakterijskih kromosomov sta predlagana dva mehanizma, čeprav je prvi vedno manj verjeten.

Prvi mehanizem ločitve kromosomov

Premikanje kromosomov po prvem mehanizmu naj bi bila posledica povezav med aktivnimi regijami na novo nastajajočega krožnega kromosoma in celično membrano. Celica naj bi se med delitvijo podaljševala iz sredinske regije navzven, kar bi tudi ločilo na membrano privezane kromosome. V bakteriji Bacillus subtilis je dokazano, da bi tak mehanizem lahko privedel do porazdelitve nukleoidov, saj je DNA povezana s peptidoglikanskim slojem celične membrane in tudi celica se podaljšuje iz sredinske regije navzven. Taka rast pa ni značilna za Escherichio coli, zato se pri njej kromosoma na tak način ne bi mogla ločiti. Ugotovljeno je bilo tudi, da je hitrost potovanja kromosomov od mesta replikacije do v naprej določenih mest v hčerinskih celicah veliko višja od hitrosti celične elongacije. Približna hitrost potujočih oriC regij v B. subtilis je 0,17 mm/min, hitrost celične elongacije pa je samo 0,011-0,025 mm/min. Zato prvi mehanizem ni preveč verjeten tudi pri tej bakteriji.

Drugi mehanizem ločitve kromosomov

Predlagan je bil drug aktiven mehanizem (mehanizem sistema parABS), ki je podoben mehanizmu delitvenega vretena pri mitozi. Sistem parABS sodeluje pri razporejanju celih kromosomov kot tudi plazmidov po citoplazmi pred celično delitvijo. Sistem je zgrajen iz proteina ParA z ATP-aznim delovanjem, iz DNA vezavnega proteinskega dimera ParB in parS zaporedja. Kromosom ima več takih zaporedij (lahko tudi 22). ParA in parB gena se nahajata na istem operonu, za katerim takoj leži zaporedje parS. ParB protein se veže na parS zaporedje in DNA v okolici parS. ParB-DNA kompleks se veže na ATP-vezan ParA protein, pri čemer vzpodbudi ATP-azno aktivnost ParA proteina. Od ATP-ja se odcepi fosfatni ion, ADP-ParA pa se tudi odcepi od ParB-DNA kompleksa, ki se veže na naslednji ATP-vezan ParA protein. Ta interakcija pripomore k usmerjanju oriC regij kromosoma in njegovemu premikanju proti celičnima poloma. Pri podrobnejši razlagi mehanizma in nahajanju ATP-ParA proteina v celici so si maloštevilni članki na to temo še zelo neenotni. V enem članku je na primer za bakterijo Bacillus subtilisa predlagano, da so med celičnima poloma na notranji strani membrane napeljane nekakšne verige zaporednih ATP-ParA proteinov, po katerih potem potujejo ParB-DNA kompleksi in z njimi celotena kromosoma, vsak proti svojemu polu celice.

Vpliv replikacije in kondenzacije na premikanje kromosomov

Pri premikanju kromosoma pa pomaga tudi sama replikacija DNA, pri čemer je zelo pomembna statičnost replisoma. Da se replisom med podvajanjem DNA ne premika, je bilo dokazano z vezavo GFP na 3 različne dele DNA polimeraze holoencima, ki je primarni encimski kompleks pri prokariontski replikaciji DNA in s tem del replisoma. Bakterijo so potem med delitvijo opazovali s fluorescentnim mikroskopom. Opazili so, da se replisom večino celičnega cikla nahaja v sredini bakterijske celice. Pri replikaciji je tako prisotna motivna sila, ki sili DNA skozi statičen replisom. Ta sila pa tudi pomaga pri premikanju hčerinskih kromosomov proti celičnima poloma.

Hčerinska kromosoma se takoj po replikaciji začneta tudi kondenzirati s pomočjo SMC proteinov. Sila, ki nastane pri zvitju DNA, povleče še ne zvito DNA proti zanki, kar tudi rahlo pripomore k mobilnosti kromosomov.

Viri

• Geoffrey C. Draper, James W. Gober; Bacterial Chromosome Segregation; Annual Review of Microbiology 2002 vol. 56
• Bignell C., Thomas CM.; The bacterial ParA-ParB partitioning proteins; Journal of Biotechnology 2001 vol. 91
• Uelinton M. Pinto, Katherine M. Pappas, Stephen C. Winans; The ABCs of plasmid replication and segregation; Nature Reviews Microbiology 2012 vol. 10
• Martin Thanbichler, Lucy Shapiro; Chromosome organization and segregation in bacteria; Journal of Structural Biology 2006 vol. 156
• Esteban Toro, Lucy Shapiro; Bacterial Chromosome Organization and Segregation; Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 2010 vol. 2
• Nelson L., D. in Cox M. M. Lehninger Principles of Biochemistry. 5. Izdaja. W.H.Freeman and Company, 2008. ISBN 978-0-7167-7108-1
• Donald Voet, Judith G. Voet. Biochemistry. 4. Izdaja. John Wiley & Sons, Inc., 2011. ISBN 978-0470-57095-1
• Krožni bakterijski kromosom [20.4.2014] http://en.wikipedia.org/wiki/Circular_bacterial_chromosome