Regulacja replikacji DNA plazmidów λ

Plazmidy pochodzące od bakteriofaga λ zawierają fragment genomu faga, który obejmuje wszystkie geny i sekwencje sygnałowe niezbędne do inicjacji replikacji DNA. Fragment ten w postaci kolistej cząsteczki DNA może replikować się w komórkach Escherichia coli w postaci plazmidu. Prowadzone w Katedrze Biologii Molekularnej Uniwersytetu Gdańskiego badania wykazały, że w przeciwieństwie do poprzednio powszechnie przyjmowanych hipotez, kompleks replikacyjny utworzony w oriλ po rozpoczęciu replikacji nie rozpada się, lecz po każdej rundzie replikacyjnej jest dziedziczony przez jedną z dwu potomnych kopii DNA1,2,3.Ten dziedziczony kompleks replikacyjny zawiera białko inicjatorowe O, które jest chronione przed proteazami przez inne elementy kompleksu4,5,6; białko to jest bardzo szybko degradowane przez proteazę ClpP/ClpX gdy występuje w stanie wolnym w komórce. Co ciekawe, okazało się, że dziedziczony kompleks replikacyjny może funkcjonować co najmniej przez kilkanaście generacji komórkowych, a prawdopodobnie nawet dłużej7. Ponieważ białkowy kompleks replikacyjny, dziedziczony po każdej rundzie replikacyjnej przez jedną z dwu potomnych cząsteczek DNA niesie informację o specyficzności inicjacji replikacji, wyżej opisane zjawisko nazwano "dziedziczeniem białka"7. Niedawne badania wykazały, że proces ten nie jest specyficzny jedynie dla plazmidów λ, lecz występuje także w przypadku innych replikonów bakteryjnych8. Co więcej, w ostatnio przedstawianych modelach obrazujących regulację replikacji DNA w komórkach drożdży Saccharomyces cerevisiae, proponuje się podobny mechanizm, polegający na dziedziczeniu kompleksu białkowego ORC (origin recognition complex) przez jedną z dwu potomnych sekwencji origin replikacji po rozpoczęciu syntezy DNA9. Zatem zjawisko dziedziczenia kompleksu replikacyjnego wydaje się mieć znaczenie ogólnobiologiczne.
Wyżej opisane badania doprowadziły do dogłębnej weryfikacji poprzednio uznawanego modelu regulacji replikacji plazmidów λ. Według niego, głównymi procesami regulującymi częstość inicjacji replikacji z oriλ miałyby być wiązanie się białka inicjatorowego O do tego rejonu oraz autoregulacyjna pętla represora Cro, który w wyższych stężeniach blokuje transkrypcję z promotora pR, co z kolei uniemożliwia ekspresję genu O10. Ponieważ uważano, że białko O jest niestabilne w każdych warunkach, sądzono iż do każdej nowej rundy replikacyjnej konieczna jest synteza nowych cząsteczek tego białka. Badania wskazujące na istnienie stabilnego kompleksu replikacyjnego implikowały konieczność poszukiwania innych mechanizmów regulacyjnych mogących kontrolować częstość inicjacji replikacji DNA. Kluczowym procesem okazała się aktywacja transkrypcyjna rejonu oriλ, czyli transkrypcja przechodząca w okolicy miejsca startu replikacji DNA11,12,13,14,15. Ponadto udało się wykazać, że funkcja represora Cro nie jest konieczna do stabilnego utrzymywania się plazmidów λ w komórkach16,17. Zatem aktywacja transkrypcyjna oriλ wydaje się głównym procesem regulującym replikację DNA.
Poszukiwania czynników, które mogą regulować proces inicjacji replikacji DNA plazmidów λ doprowadziły do zwrócenia uwagi na białko DnaA, kodowane przez komórkę gospodarza. Jest to białko inicjatorowe replikacji DNA chromosomu bakteryjnego, ale przez wiele lat było ono uważane jako zbędne w replikacji DNA λ. Wykazano, że faktycznie białko to nie wiąże się do oriλ, jednakże odgrywa bardzo istotną rolę regulacyjną. DnaA stymuluje bowiem aktywację transkrypcyjną oriλ18,19,20. Dzieje się tak w wyniku pozytywnej regulacji aktywności promotora pR, dzięki oddziaływaniu białka DnaA z podjednostką b polimerazy RNA21. Warto zaznaczyć, że wyniki tych badań po raz pierwszy wykazały, ze podjednostka ta może być miejscem kontaktu dla białkowych aktywatorów transkrypcji.
W podsumowaniu, wydaje się, że stymulowana przez komórkowe białko DnaA aktywacja transkrypcyjna oril jest głównym procesem regulującym częstość inicjacji replikacji DNA plazmidów l zarówno w przypadku tworzenia nowego kompleksu replikacyjnego jak i funkcjonowania dziedziczonego kompleksu.

Grzegorz Węgrzyn

 Prof. dr hab. Grzegorz Węgrzyn jest kierownikiem Katedry Biologii Molekularnej Uniwersytetu Gdańskiego

Przypisy:
  1. Węgrzyn G, Kwaśnik E, Taylor K (1991) Replication of l Plasmid in Amino Acid-Starved Strains of Escherichia coli. Acta Biochim. Pol., 38, 181-186
  2. Węgrzyn G, Neubauer P, Krueger S, Hecker M, Taylor K (1991) Stringent Control of Replication of Plasmids Derived From Coliphage l. Mol. Gen. Genet., 225, 94-98
  3. Węgrzyn G, Taylor K (1992) Inheritance of the Replication Complex by One of Two Daughter Copies During l Plasmid Replication in Escherichia coli. J. Mol. Biol., 226, 681-688
  4. Węgrzyn G, Pawłowicz A, Taylor K (1992) Stability of Coliphage λ DNA Replication Initiator, the lO Protein. J. Mol. Biol., 226, 675-680
  5. Pawłowicz A, Węgrzyn G, Taylor K (1993) Effect of Coliphage lP Gene Mutations on the Stability of the lO Protein, the Initiator of lDNA Replication. Acta Biochim. Pol., 40, 29-31
  6. Węgrzyn A, Węgrzyn G, Taylor K (1995) Protection of Coliphage lO Initiator Protein From Proteolysis in the Assembly of the Replication Complex in vivo. Virology, 207, 179-184
  7. Węgrzyn A, Węgrzyn G, Herman A, Taylor K (1996) Protein Inheritance: l Plasmid Replication Perpetuated by the Heritable Replication Complex. Genes Cells, 1, 953-963
  8. Potrykus K, Wróbel B, Węgrzyn A, Węgrzyn G (2000) Replication of oriJ-based Plasmid DNA During the Stringent and Relaxed Responses of Escherichia coli. Plasmid, praca przyjęta do druku
  9. DePamphilis, M.L (1998) Initiation of DNA Replication in Eukaryotic Chromosomes. J. Cell. Biochem. Suppls. 30/31: 8-17
  10. Matsubara, K (1981) Replication Contro, System in Lambda dv. Plasmid 5: 32-52
  11. Szalewska-Pałasz A, Węgrzyn A, Herman A, Węgrzyn G (1994) The Mechanism of the Stringent Control of l Plasmid DNA Replication. EMBO J., 13, 5779-5785
  12. Szalewska-Pałasz A, Węgrzyn G (1994) An Additional Role of Transcriptional Activation of oril in the Regulation of l Plasmid Replication in Escherichia coli. Biochem. Biophys. Res. Commun., 205, 802-806
  13. Taylor K, Węgrzyn G (1995) Replication of Coliphage Lambda DNA. FEMS Microbiol. Rev., 17, 109-119
  14. Szalewska-Pałasz A, Węgrzyn G (1995) Inhibition of Transcription Starting From Bacteriophage l pR Promoter During the Stringent Response in Escherichia coli: Implications For l DNA Replication. Acta Biochim. Pol., 42, 233-240
  15. Węgrzyn A, Węgrzyn G (1995) Transcriptional Activation of oril regulates l Plasmid Replication in Amino Acid-Starved Escherichia coli Cells. Biochem. Biophys. Res. Commun., 214, 978-984
  16. Herman-Antosiewicz A, Śrutkowska S, Taylor K, Węgrzyn G (1998) Replication and Maintenance of l Plasmids Devoid of the Cro repressor Autoregulatory Loop in Escherichia coli. Plasmid, 40, 113-125
  17. Herman-Anotsiewicz A, Węgrzyn A, Taylor K, Węgrzyn G (1998) DnaA-Mediated Regulation of Phage l-Derived replicons in the absence of pR and Cro function. Virology, 249, 98-107
  18. Węgrzyn G, Szalewska-Pałasz A, Węgrzyn A, Obuchowski M, Taylor K (1995) Transcriptional Activation of Coliphage l DNA Replication is Regulated by the Host DnaA Initiator Function. Gene, 154, 47-50
  19. Węgrzyn A., Węgrzyn G., Taylor K. (1995) Plasmid and Host Functions Required For l Plasmid Replication Carried Out by the Inherited Replication Complex. Mol. Gen. Genet., 245, 501-508
  20. Węgrzyn G, Węgrzyn A, Pankiewicz A, Taylor K. (1996) Allele Specificity of the Escherichia coli dnaA Gene Function in the Replication of Plasmids Derived From Phage l. Mol. Gen. Genet., 252, 580-586
  21. Szalewska-Pałasz A, Węgrzyn A, Błaszczak A, Taylor K, Węgrzyn G (1998) DnaA-Stimulated Transcriptional Activation of oril: Escherichia coli RNA Polymerase b Subunit as a Transcriptional Activator Contact Site. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 95, 4241-4246


 

powrót do góry

powrót do wydawnictwa

 
Kronika Oddziału według dat  
 
 Siedziba oddziału : Polska Akademia Nauk, Oddział w Lublinie
 Pałac Czartoryskich, Plac Litewski 2, e-mail: pan-ol@hektor.umcs.lublin.pl		 webdesign emzab.pl