Bakterielle Replikation und Zellteilung

Bevor sich ein Bakterium teilt, muss es sein gesamtes Genom kopieren und eine vollständige Kopie an jede Tochterzelle verteilen. Die bakterielle DNA-Replikation beginnt an einem einzelnen Ursprung und verläuft in beide Richtungen, während die Zelle wächst und sich dann durch binäre Spaltung teilt, wobei die Chromosomenkopie, -segregation und die Bildung eines Teilungsseptums so koordiniert werden, dass jede neue Zelle ein vollständiges Genom erbt.

Definition

Bakterielle Replikation und Zellteilung ist der koordinierte Prozess, bei dem ein Bakterium sein Chromosom von einem definierten Ursprung aus dupliziert und die Kopien durch binäre Spaltung in zwei Tochterzellen aufteilt.

Scope

Dieses Thema behandelt den bakteriellen Zellzyklus: Initiation und Progression der DNA-Replikation, das Replisom, Segregation des duplizierten Chromosoms und Zytokinese durch binäre Spaltung, einschließlich des Aufbaus der Teilungsmaschinerie. Es handelt sich um eine mechanistische Referenzübersicht und bietet keine klinischen Anweisungen.

Core questions

• Wie und wo beginnt die bakterielle DNA-Replikation, und wie verläuft sie um das Chromosom herum?
• Welche molekulare Maschine führt die Replikation durch, und wie wird ihre Genauigkeit gewährleistet?
• Wie werden die duplizierten Chromosomen zu entgegengesetzten Enden der Zelle segregiert?
• Wie wird der Zeitpunkt der Teilung mit dem Abschluss der Replikation koordiniert?

Key concepts

• Replikationsursprung (oriC)
• Bidirektionale, semikonservative Replikation
• Replisom und DNA-Polymerase III
• Leitstrang- und Folgestrangsynthese
• Replikationsgabel und Terminus
• Chromosomensegregation
• Binäre Spaltung und Septumbildung
• Z-Ring und Divisom

Mechanisms

Die bakterielle Replikation ist semikonservativ und bidirektional: Sie beginnt an einem einzelnen definierten Ursprung, wo das Chromosom entwunden wird, und zwei Replikationsgabeln bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen, bis sie am Terminus zusammentreffen. Das Replisom, das um die replikative DNA-Polymerase organisiert ist, kopiert den Leitstrang kontinuierlich und den Folgestrang diskontinuierlich, wobei Proofreading und Mismatch-Reparatur eine hohe Genauigkeit gewährleisten, wie von O'Donnell und Kollegen beschrieben. Während die Replikation fortschreitet, werden die beiden Tochterchromosomen aktiv organisiert und zu entgegengesetzten Zellpolen segregiert, ein Prozess, den Wang und Kollegen im Hinblick auf die Chromosomenorganisation und die Verteilungsmaschinerie beschreiben. Die Teilung erfolgt dann durch binäre Spaltung, bei der die Zelle einen kontraktilen Ring in der Zellmitte bildet, der die Synthese eines Septums steuert und die beiden Tochterzellen, von denen jede ein vollständiges Genom erhalten hat, physikalisch trennt.

Clinical relevance

Mehrere antibakterielle Wirkstoffziele liegen in der Replikations- und Teilungsmaschinerie, und die Rate der Replikation und Teilung trägt dazu bei, wie schnell bakterielle Populationen wachsen und auf Stress reagieren. Dieser Eintrag beschreibt die zugrunde liegende Biologie und ist kein Leitfaden für die Arzneimittelauswahl oder das Patientenmanagement.

History

Die semikonservative Natur der DNA-Replikation und die Enzymologie der DNA-Polymerasen etablierten die molekulare Grundlage der Genomkopie, wobei Bakterien wie Escherichia coli als zentrales experimentelles Modell dienten. Spätere Arbeiten am Replisom sowie an der Chromosomensegregation und dem Teilungsapparat, zusammengefasst in Übersichten von O'Donnell sowie von Wang und Kollegen, integrierten die Replikation in den bakteriellen Zellzyklus.

Key figures

• Arthur Kornberg
• Mike O'Donnell
• David Rudner

Seminal works

• odonnell-2013
• wang-2013

Frequently asked questions

Was bedeutet es, dass die bakterielle Replikation bidirektional ist?

Die Replikation beginnt an einem Ursprung, und zwei Replikationsgabeln bewegen sich von diesem in entgegengesetzte Richtungen um das zirkuläre Chromosom herum, bis sie am Terminus zusammentreffen, sodass das gesamte Genom in etwa der halben Zeit kopiert wird, die eine einzelne Gabel benötigen würde.

Wie teilen sich Bakterien?

Die meisten Bakterien teilen sich durch binäre Spaltung: Nachdem das Chromosom kopiert und segregiert wurde, bildet sich in der Zellmitte eine ringförmige Teilungsmaschinerie, die ein Septum aufbaut, das die Zelle in zwei Tochterzellen teilt.