1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Химическая физика
  4. T. 42, № 6, 2023

Химическая физика, 2023, T. 42, № 6, стр. 3-20

Конденсация ДНК в бактериях

Ю. Ф. Крупянский 1, *, А. А. Генералова 1, В. В. Коваленко 1, Н. Г. Лойко 1, 2, Э. В. Терешкин 1, А. В. Моисеенко 1, 3, К. Б. Терешкина 1, О. С. Соколова 3, А. Н. Попов 4

1 Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук
Москва, Россия

2 Федеральный исследовательский центр “Фундаментальные основы биотехнологии” Российской академии наук
Москва, Россия

3 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Москва, Россия

4 European Synchrotron Radiation Facility
71, avenue des Martyrs, CS 40220, 38043 Grenoble Cedex 9, France

* E-mail: yufk@chph.ras.ru

Поступила в редакцию 11.01.2023
После доработки 18.01.2023
Принята к публикации 20.01.2023

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

  1. Stonington O.G., Pettijohn D.E. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1971. V. 68. № 1. P. 6

  2. Verma S.C., Qian Z., Adhya S.L. // PLoS. Genet. 2019. V. 15. № 12. e1008456

  3. Trun N., Marko J. // Amer. Soc Microbiol. News. 1998. V. 64. № 5. P. 276.

  4. Бухарин О.В., Гинцбург А.Л., Романова Ю.М., Эль-Регистан Г.И. Механизмы выживания бактерий. М.: Медицина, 2005.

  5. Ткаченко А.Г. Молекулярные механизмы стрессорных ответов у микроорганизмов. Екатеринбург: Уро РАН, 2012.

  6. Minsky A., Shimoni E., Frenkiel-Krispin D. // Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 2002. V. 3. P. 50.

  7. Grosberg A.Y., Khokhlov A.R. Statistical physics of macromolecules. N.Y.: AIP, 1994.

  8. Bloomfield V.A. // Curr. Opin. Struct. Biol. 1996. V. 6. P. 334.

  9. Циммер К. Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни. Пер. с англ. М.: ООО “Альпина нон-фикшн”, 2013.

  10. Крупянский Ю.Ф., Гольданский В.И. // УФН. 2002. Т. 172. № 11. С. 1247.

  11. Крупянский Ю.Ф. // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 3. С. 60; https://doi.org/10.31857/S0207401X21030079

  12. Шайтан К.В. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 6. С. 40.

  13. Dekker J., Rippe K., Dekker M., Kleckner N. // Capturing Chromosome Conform. Sci. 2002. V. 295. P. 1306; https://doi.org/10.1126/science.1067799

  14. Simonis M., Klous P., Splinter E. et al. // Nat. Genet. 2006. V. 38. P. 1348; https://doi.org/10.1038/ng1896

  15. Dostie J., Richmond T.A., Arnaout R.A. et al. // Genome Res. 2006. V. 16. P. 1299; https://doi.org/10.1101/gr.5571506

  16. Gennes P.G.D. Scaling concepts in polymer physics. Ithaca: Cornell University Press, 1979.

  17. Grosberg A.Y., Nechaev S.K., Shakhnovich E.I. // J. Phys. 1988. V. 49. P. 2095.

  18. Lieberman-Aiden E., Van Berkum N.L., Williams L. et al. // Science. 2009. V. 326. P. 289.

  19. Mirny L.A. // Chromosome Res. 2011. V. 19. P. 37.

  20. Яшина Е.Г., Григорьев С.В. // ЖЭТФ. 2019. Т. 156. Вып. 3. С. 540.

  21. Zwietering M.H., Jongenburger I., Rombouts F.M., van’t Riet K. // Appl. Environ. Microbiol. 1990. V. 56. № 6. P. 1875.

  22. Loiko N., Danilova Y., Moiseenko A. et al. // PLOS One. 2020. V. 15. № 10; https://doi.org/10.1371/journal.pone.0231562

  23. Шрёдингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики? М.: РИМИС, 2009.

  24. 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

  25. Синицын Д.О., Лойко Н.Г., Гуларян С.К. и др. // Хим. физика. 2017. Т. 36. № 9. С. 59.

  26. Крупянский Ю.Ф., Лойко Н.Г., Синицын Д.О. и др. // Кристаллография. 2018. Т. 63. № 4. С. 572.

  27. Reich Z., Wachtel E., Minsky A. // Science. 1994. V. 264. № 5164. P. 1460.

  28. Frenkiel-Krispin D., Ben-Avraham I., Englander J. et al. // Mol. Microbiol. 2004. V. 51. P. 395.

  29. Kovalenko V., Popov A., Santoni G. et al. // Acta Cryst. 2020. V. F76. P. 568.

  30. Moiseenko A., Loiko N., Tereshkina K. et al. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2019. V. 517. № 3. P. 463.

  31. Tereshkin E., Tereshkina K., Loiko N. et al. // J. Biomol. Struct. Dyn. 2019. V. 37. P. 2600.

  32. Терешкин Э.В., Терешкина К.Б., Коваленко В.В. и др. // Хим. физика. 2019. Т. 38. № 10. С. 48.

  33. Tereshkin E.V., Tereshkina K.B., Krupyanskii Y.F. // J. Physics: Conf. Ser. 2021. V. 2056. № 1. P. 012016.

  34. Blinov V.N., Golo V.L., Krupyanskii Y. // Nanostuctures. Math. Phys. Model. 2015. V. 12. P. 5.

  35. Vasilevskaya V.V., Khokhlov A.R., Kidoaki S., Yoshikawa K. // Biopolymers. 1997. V. 41. P. 51.

  36. Loiko N., Danilova Y., Moiseenko A. et al. // bioRxiv. 2020. P. 2020.03.27.011494; https://doi.org/10.1101/2020.03.27.011494

  37. Shapiro J.A. // Scientific American. 1988. V. 258. № 6. P. 82.

  38. Shapiro J.A., Dworkin M. // Quarterly Rev. Biol. 1998. V. 73. № 3. P. 352.

  39. Сузина Н.Е., Мулюкин А.Л., Лойко Н.Г. и др. // Микробиология. 2001. Т. 70. № 5. С. 776.

  40. Procopio A., Malucelli E., Pacureanu A. et al. // ACS Central Science. 2019. V. 5. P. 1449.

  41. Santos S., Yang Y., Rosa M. et al. // Scientific Reports. 2019. V. 9. P. 17217.

  42. Ou H.D., Phan S., Deerinck T.J. et al. // Science. 2017. V. 357. № 6349. eaag0025; https://doi.org/10.1126/science.aag0025

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Химическая физика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал