Regulation of the bacterial cell cycle by an integrated genetic circuit

Nature 2006 Dec 14; 444(7121): 899-904.

Speaker: 鄭伯忻                                            Time: 2007/3/7 14:00-15:00

Commentator: 何漣漪老師                         Place: room 601

中文摘要

目前對於細菌cell cycle的認知，主要是來自於Caulobacter crescentus。C. crescentus的cell cycle可分成G1、S、G2三個時期，而在每一個時期其細胞外型也都不同（如Fig 1.所示），故C. crescentus是一個很適合分析cell cycle的細菌。

Fig 1. C. crescentus的外觀與cell cycle時期

目前對於調控C. crescentus的cell cycle調控機轉，主要是由two component system response regulator CtrA控制。於G1 phase，CtrA會被磷酸化而抑制DNA複製。且磷酸化的CtrA也會提升phosphotase DivK的表現量。於G1-S phase時，DivK可移除CckA的磷酸化，進而使ChpT無法磷酸化，再進而讓CtrA無法磷酸化。故此時DNA複製就可開始進行。同時DivK也具有讓CckA失去集中於鞭毛一側之能力，使細菌於G1-S phase時CckA可散佈於整隻細菌內。而ChpT無法磷酸化同時也讓CpdR具有促進CtrA分解之能力，故於G1-S phase時，細菌內CtrA的量會明顯下降。CtrA-p原本具有抑制GcrA的能力，但於G1-S phase時由於CtrA-p減少，使得GcrA的表現開始上升，同時GcrA又可以誘發CtrA之表現，故於S phase時CtrA的數量也開始回升，且CtrA也可誘發其本身表現更多CtrA表現，故S phase CtrA的數量開始回復。且CtrA-p又可誘發DivK的表現。故在此處形成一negative feedback loop，由CtrA誘發DivK，到DivK經由CckA抑制CtrA的活性。利用這條negative feedback loop，細菌可以決定CtrA於細菌內的濃度量，於不同cell cycle CtrA與DivK有相反的上下起伏（圖解於Fig 2.與Fig 3.）。

Fig 2. C. crescentus的cell cycle運行，與負責控制cell cycle之調控網路

此外在細菌開始分裂時，phosphotase PleC與kinase DivJ的分佈會有不同，PleC會分佈到swarmer cell中，而DivJ則會進入Stalk cell。PleC會將DivK的磷酸化移除，故得到PleC的swarmer cell不具有活性的DivK，故CckA可維持磷酸化，進而讓CtrA維持磷酸化，故swarmer cell會繼續維持在G1 phase，DNA不會複製。而拿到DivJ的stalk cell，則會讓DivK維持磷酸化狀態，進而使CckA與CtrA的磷酸化被移除，而開始下一次cell cycle的進行。

於此篇文章中作者們試著將過去已知的一些片段資訊，拼湊出可控制C. crescentus的cell cycle的核心機制，一組negative feedback loop。透過CtrA與DivK的上下震盪，細菌可以用來控制”cycle”的運行無誤，同時這樣子的設計概念也存在於eukaryotic cell之中，故雖然細菌與細胞的cell cycle調控方式差異甚大，但其中的中心概念卻是相當相似的。所以事實上生命的藍圖在不同種生物中應該是共通的；改變的只是其中的零組件，而整個設計理念則應該是共通的。

Fig 3. 負責控制C. crescentus的cell cycle的中心原件，一組Negative feedback loop

References

1.     Biondi, E. G., S. J. Reisinger, J. M. Skerker, M. Arif, B. S. Perchuk, K. R. Ryan, and M. T. Laub. 2006. Regulation of the bacterial cell cycle by an integrated genetic circuit. Nature444:899-904.

2.     McAdams, H. H., and L. Shapiro. 2003. A bacterial cell-cycle regulatory network operating in time and space. Science 301:1874-7.