DNA Condensation in Bacteria

Yu. F. Krupyanskii; Крупянский Ю. Ф.; A. A. Generalova; Генералова А. А.; V. V. Kovalenko; Коваленко В. В.; N. G. Loiko; Лойко Н. Г.; E. V. Tereshkin; Терешкин Э. В.; A. V. Moiseenko; Моисеенко А. В.; K. B. Tereshkina; Терешкина К. Б.; O. S. Sokolova; Соколова О. С.; A. N. Popov; Попов А. Н.

doi:10.31857/S0207401X23060067

Конденсация ДНК в бактериях

Авторы: Крупянский Ю.Ф.¹, Генералова А.А.¹, Коваленко В.В.¹, Лойко Н.Г.¹^,2, Терешкин Э.В.¹, Моисеенко А.В.¹^,3, Терешкина К.Б.¹, Соколова О.С.³, Попов А.Н.⁴
Учреждения:
1. Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук
2. Федеральный исследовательский центр “Фундаментальные основы биотехнологии” Российской академии наук
3. Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
4. European Synchrotron Radiation Facility
Выпуск: Том 42, № 6 (2023)
Страницы: 3-20
Раздел: К 100-ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ АКАДЕМИКА В.И. ГОЛЬДАНСКОГО
URL: https://rjmseer.com/0207-401X/article/view/674857
DOI: https://doi.org/10.31857/S0207401X23060067
EDN: https://elibrary.ru/UILPBU
ID: 674857

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) организована в нуклеоиде активно растущей клетки иерархически – с тремя уровнями компактизации ДНК. Нижний уровень (малый масштаб ≥1 Кбайт пар оснований) обеспечивается взаимодействием со связанными с ДНК белками. Активно растущие клетки поддерживают динамический, далекий от равновесия порядок благодаря метаболизму. При переходе клеток в покоящееся состояние (практически полное отсутствие метаболизма) обычные биохимические способы защиты ДНК перестают работать, и клетки, адаптируясь к новым условиям, вынуждены использовать физические механизмы защиты ДНК. Проведено изучение структуры ДНК в нуклеоиде покоящихся клеток, образующихся при стрессе голодания, с помощью методов дифракции синхротронного излучения и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Экспериментальные результаты позволили визуализировать структуры нижнего иерархического уровня компактизации ДНК в нуклеоиде покоящихся клеток. Впервые проведенная серия дифракционных экспериментов свидетельствует о наличии периодической упорядоченной организации ДНК во всех изученных бактериях. Метод ПЭМ позволил извлечь тонкую визуальную информацию о типе конденсации ДНК в нуклеоиде бактерии Escherichia coli (E. coli). Обнаружены внутриклеточные нанокристаллические, жидкокристаллические и свернутые нуклеосомоподобные структуры ДНК. Свернутая нуклеосомоподобная структура наблюдалась впервые, она является результатом множественного сворачивания длинных молекул ДНК вокруг связывающего ДНК белка голодающих клеток (Dps) и его ассоциатов. Обнаруженные нами различные типы конденсированного состояния ДНК в изучаемых покоящихся клетках E. сoli (гетерогенность конденсации ДНК) дают дополнительные аргументы в пользу концепции, рассматривающей микробную популяцию как многоклеточный организм. Проведено изучение изменений в архитектуре ДНК под влиянием химического аналога аутоиндуктора анабиоза 4-гексилрезорцина (4-ГР). Рост концентрации 4-ГР индуцирует переход части клеток популяции в анабиотическое покоящееся состояние, а затем – и в мумифицированное состояние. Проведенные исследования структуры ДНК в анабиотическом и мумифицированном состояниях показывают спектроскопическую идентичность структуры ДНК в покоящемся анабиотическом состоянии и в покоящемся состоянии, образующемся при стрессе голодания. Исследования структуры ДНК в мумифицированном состоянии показывают сильное отличие последней от структуры ДНК в анабиотическом состоянии.

Ключевые слова

дезоксирибонуклеиновая кислота, бактерия Escherichia coli, стресс голодания, внутриклеточные структуры – нанокристаллическая, жидкокристаллическая, свернутая нуклеосомоподобная, аутоиндуктор анабиоза, 4-гексилрезорцин, анабиотическое и мумифицированное состояния.

Список литературы

Stonington O.G., Pettijohn D.E. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1971. V. 68. № 1. P. 6
Verma S.C., Qian Z., Adhya S.L. // PLoS. Genet. 2019. V. 15. № 12. e1008456
Trun N., Marko J. // Amer. Soc Microbiol. News. 1998. V. 64. № 5. P. 276.
Бухарин О.В., Гинцбург А.Л., Романова Ю.М., Эль-Регистан Г.И. Механизмы выживания бактерий. М.: Медицина, 2005.
Ткаченко А.Г. Молекулярные механизмы стрессорных ответов у микроорганизмов. Екатеринбург: Уро РАН, 2012.
Minsky A., Shimoni E., Frenkiel-Krispin D. // Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 2002. V. 3. P. 50.
Grosberg A.Y., Khokhlov A.R. Statistical physics of macromolecules. N.Y.: AIP, 1994.
Bloomfield V.A. // Curr. Opin. Struct. Biol. 1996. V. 6. P. 334.
Циммер К. Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни. Пер. с англ. М.: ООО “Альпина нон-фикшн”, 2013.
Крупянский Ю.Ф., Гольданский В.И. // УФН. 2002. Т. 172. № 11. С. 1247.
Крупянский Ю.Ф. // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 3. С. 60; https://doi.org/10.31857/S0207401X21030079
Шайтан К.В. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 6. С. 40.
Dekker J., Rippe K., Dekker M., Kleckner N. // Capturing Chromosome Conform. Sci. 2002. V. 295. P. 1306; https://doi.org/10.1126/science.1067799
Simonis M., Klous P., Splinter E. et al. // Nat. Genet. 2006. V. 38. P. 1348; https://doi.org/10.1038/ng1896
Dostie J., Richmond T.A., Arnaout R.A. et al. // Genome Res. 2006. V. 16. P. 1299; https://doi.org/10.1101/gr.5571506
Gennes P.G.D. Scaling concepts in polymer physics. Ithaca: Cornell University Press, 1979.
Grosberg A.Y., Nechaev S.K., Shakhnovich E.I. // J. Phys. 1988. V. 49. P. 2095.
Lieberman-Aiden E., Van Berkum N.L., Williams L. et al. // Science. 2009. V. 326. P. 289.
Mirny L.A. // Chromosome Res. 2011. V. 19. P. 37.
Яшина Е.Г., Григорьев С.В. // ЖЭТФ. 2019. Т. 156. Вып. 3. С. 540.
Zwietering M.H., Jongenburger I., Rombouts F.M., van’t Riet K. // Appl. Environ. Microbiol. 1990. V. 56. № 6. P. 1875.
Loiko N., Danilova Y., Moiseenko A. et al. // PLOS One. 2020. V. 15. № 10; https://doi.org/10.1371/journal.pone.0231562
Шрёдингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики? М.: РИМИС, 2009.
Moiseenko A., Loiko N., Sokolova O.S., Krupyanskii Y.F. // Methods in Molecular Biology. 2022. V. 2516. P. 143; https://doi.org/10.1007/978-1-0716-2413-5_9
Синицын Д.О., Лойко Н.Г., Гуларян С.К. и др. // Хим. физика. 2017. Т. 36. № 9. С. 59.
Крупянский Ю.Ф., Лойко Н.Г., Синицын Д.О. и др. // Кристаллография. 2018. Т. 63. № 4. С. 572.
Reich Z., Wachtel E., Minsky A. // Science. 1994. V. 264. № 5164. P. 1460.
Frenkiel-Krispin D., Ben-Avraham I., Englander J. et al. // Mol. Microbiol. 2004. V. 51. P. 395.
Kovalenko V., Popov A., Santoni G. et al. // Acta Cryst. 2020. V. F76. P. 568.
Moiseenko A., Loiko N., Tereshkina K. et al. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2019. V. 517. № 3. P. 463.
Tereshkin E., Tereshkina K., Loiko N. et al. // J. Biomol. Struct. Dyn. 2019. V. 37. P. 2600.
Терешкин Э.В., Терешкина К.Б., Коваленко В.В. и др. // Хим. физика. 2019. Т. 38. № 10. С. 48.
Tereshkin E.V., Tereshkina K.B., Krupyanskii Y.F. // J. Physics: Conf. Ser. 2021. V. 2056. № 1. P. 012016.
Blinov V.N., Golo V.L., Krupyanskii Y. // Nanostuctures. Math. Phys. Model. 2015. V. 12. P. 5.
Vasilevskaya V.V., Khokhlov A.R., Kidoaki S., Yoshikawa K. // Biopolymers. 1997. V. 41. P. 51.
Loiko N., Danilova Y., Moiseenko A. et al. // bioRxiv. 2020. P. 2020.03.27.011494; https://doi.org/10.1101/2020.03.27.011494
Shapiro J.A. // Scientific American. 1988. V. 258. № 6. P. 82.
Shapiro J.A., Dworkin M. // Quarterly Rev. Biol. 1998. V. 73. № 3. P. 352.
Сузина Н.Е., Мулюкин А.Л., Лойко Н.Г. и др. // Микробиология. 2001. Т. 70. № 5. С. 776.
Procopio A., Malucelli E., Pacureanu A. et al. // ACS Central Science. 2019. V. 5. P. 1449.
Santos S., Yang Y., Rosa M. et al. // Scientific Reports. 2019. V. 9. P. 17217.
Ou H.D., Phan S., Deerinck T.J. et al. // Science. 2017. V. 357. № 6349. eaag0025; https://doi.org/10.1126/science.aag0025