快速分裂细菌协调基因表达和复制

乙每个细菌都会竞争成为细菌，策略最快的细菌将成为胜利者。大肠杆菌就是一个很好的例子。它可以不间断地连续加倍，与直觉相反的是，这种细菌的分裂速度已经快于其基因组的复制速度。1鉴于大肠杆菌将其复制推向超速状态，科学家推测这可能会干扰另一个不休息的过程：基因表达。然而，科学家们很难研究复制对基因表达的影响，因为细菌群体中的细菌就像不眠之城中的轮班工人。2每个细胞都占据细胞周期的不同阶段，产生太多噪音而无法筛选出模式。

现在，研究人员在《自然》杂志上报道，利用一种测量单个细菌内基因表达的技术，使他们能够将分析集中在单个细胞上。3数据中出现的模式揭示了这些忙碌的昆虫如何调节其基因组。

微生物学家兼研究合著者AndrewPountain是纽约大学ItaiYanai系统生物学研究小组的成员，他认识到，在任何给定时间，单个细菌都会表达一组不同的基因，如果他对这些基因进行平均，这些基因可能会在他的分析中丢失。人群中的所有成员，引导他走向单细胞转录组学。4然而，Pountain说，“您使用的原始数据很糟糕”，因为它仍然非常嘈杂。

“这就好像有人告诉你重新制作一部电影，但他们给你的是单独的帧，而且每个帧都非常阴暗或模糊，”柳井说。该团队必须找到一种方法来清理和对齐框架，以制作一部关于细菌基因表达趋势的连贯传记片。

为了揭示复制和基因表达之间的潜在联系，研究小组开发了一种新方法来组织他们从使用甲醛及时冷冻的不同步细胞中收集的数据。他们假设，如果复制影响基因表达，那么它会按照沿着染色体复制基因的顺序来影响基因表达。当对数据进行排序以寻找将基因表达与基因染色体位置联系起来的模式时，突然所有混乱都变得有序。Pountain说：“如果你在其上强加一个结构，即这种复制驱动的细胞周期结构，那么它就会突然从令人难以置信的嘈杂和非常困难变成令人难以置信的逻辑。”

大肠杆菌具有环形染色体，但复制不会围绕染色体顺时针方向发生。相反，它用一半的时间同时复制两个180°片段，两者均源自同一个12点钟起点。一个片段以顺时针方向复制，而另一片段则逆时针方向复制，在六点钟区域连接。5

研究小组注意到基因表达的类似模式：位于相对片段但距12点钟起始点距离相等的基因同时表达。这些发现表明，这些基因共享一个激活线索，该激活线索由两个片段的同步复制计时。

数据中的其他表达模式暗示了复制的影响。大肠杆菌在一轮复制和下一轮复制之间不会休息。与此同时，两个部分在6点钟方向的终点线汇合，新一波复制从12点钟方向的起点开始。同样，他们发现靠近起点和终点的基因同时打开，表明复制控制了它们的表达。

最后，从细菌群体中收集的嘈杂基因表达数据是有意义的，尽管这让团队感到惊讶。“我们从未真正期望找到一个更通用、更全球化的系统，”庞坦说。

哈佛大学系统生物学家盛宽伟(未参与这项工作)表示，“有几项研究表明，例如，单个基因受到复制的高度影响”，但他指出，这是第一次证明这一点这些影响是系统性的。

在证明复制影响整体基因表达后，研究小组接下来生成了显示单个基因表达模式的图表，他们将其命名为转录-复制相互作用图谱(TRIP)。这些图揭示了与复制周期同时发生的基因表达时间和水平的变化。

Pountain将TRIP比作心电图(ECG)。就像心电图的电波携带有关心脏健康的信息一样，TRIP上的曲线揭示了复制如何打开和关闭基因。研究小组仍然需要解码每个基因的TRIP，以了解相对于其他调节因子(如转录因子)，复制控制其表达的程度。

“这就像我们发现了这本新词典，但我们还不知道每个单词的含义，”柳井说。随着时间的推移，他们的目标是定义基因组中的各种TRIP。

研究小组还在金黄色葡萄球菌(一种远缘物种)中发现了类似的基因表达趋势，这表明该过程可能在细菌中是保守的。然而，“目前尚不清楚您可以对[其他细菌]进行多少推断。我认为这值得进一步研究，”盛补充道。

古细菌或真核生物是否有类似的过程仍然是一个悬而未决的问题。“真核细胞在不同方面要复杂得多，”盛说。它们有多个更大的染色体，每条染色体上有多个复制起点，并且DNA的某些区域比其他区域包装得更紧密，因此这种形式的基因调控可能是严格的原核生物。即便如此，“细菌是我们要应对的重要病原体，”柳井说。“这个工具本身就可能具有重大的生物医学相关性。”