การจำลองตัวเองของแบคทีเรียและการแบ่งเซลล์

ก่อนที่แบคทีเรียจะแบ่งตัว แบคทีเรียจะต้องคัดลอกจีโนมทั้งหมดและแจกจ่ายสำเนาที่สมบูรณ์หนึ่งชุดไปยังเซลล์ลูกแต่ละเซลล์ การจำลองดีเอ็นเอของแบคทีเรียเริ่มต้นที่จุดกำเนิดเดียวและดำเนินไปในสองทิศทาง ในขณะที่เซลล์เติบโตและแบ่งตัวโดยการแบ่งแยกแบบทวิภาค (binary fission) โดยมีการประสานงานของการคัดลอกโครโมโซม การแยกตัว และการสร้างผนังกั้นการแบ่งเซลล์ เพื่อให้เซลล์ใหม่แต่ละเซลล์ได้รับจีโนมที่สมบูรณ์

Definition

การจำลองตัวเองและการแบ่งเซลล์ของแบคทีเรียเป็นกระบวนการที่ประสานกันซึ่งแบคทีเรียจะจำลองโครโมโซมของตนเองจากจุดกำเนิดที่กำหนด และแบ่งสำเนาออกเป็นสองเซลล์ลูกผ่านการแบ่งแยกแบบทวิภาค

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมวงจรเซลล์ของแบคทีเรีย: การเริ่มต้นและการดำเนินไปของการจำลองดีเอ็นเอ, รีพลิโซม (replisome), การแยกตัวของโครโมโซมที่จำลองแล้ว, และการแบ่งไซโทพลาสซึม (cytokinesis) โดยการแบ่งแยกแบบทวิภาค รวมถึงการประกอบเครื่องจักรสำหรับการแบ่งเซลล์ นี่คือภาพรวมอ้างอิงเชิงกลไกและไม่ได้ให้คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• การจำลองดีเอ็นเอของแบคทีเรียเริ่มต้นอย่างไรและที่ไหน และดำเนินไปรอบๆ โครโมโซมอย่างไร?
• เครื่องจักรโมเลกุลใดที่ทำการจำลอง และความแม่นยำของมันมั่นใจได้อย่างไร?
• โครโมโซมที่จำลองแล้วถูกแยกไปยังปลายเซลล์ตรงข้ามได้อย่างไร?
• เวลาของการแบ่งเซลล์ประสานกับการจำลองที่เสร็จสมบูรณ์ได้อย่างไร?

Key concepts

• จุดกำเนิดของการจำลอง (oriC)
• การจำลองแบบสองทิศทางและกึ่งอนุรักษ์
• รีพลิโซมและดีเอ็นเอพอลิเมอเรส III
• การสังเคราะห์สายนำและสายตาม
• ส้อมจำลองและจุดสิ้นสุด
• การแยกโครโมโซม
• การแบ่งแยกแบบทวิภาคและการสร้างผนังกั้น
• Z-ring และดิวิโซม (divisome)

Mechanisms

การจำลองตัวเองของแบคทีเรียเป็นแบบกึ่งอนุรักษ์ (semiconservative) และแบบสองทิศทาง (bidirectional): โดยจะเริ่มต้นที่จุดกำเนิดที่กำหนดจุดเดียว ซึ่งโครโมโซมจะถูกคลายเกลียว และส้อมจำลอง (replication forks) สองอันจะดำเนินไปในทิศทางตรงกันข้ามจนกว่าจะมาบรรจบกันที่จุดสิ้นสุด (terminus) รีพลิโซม ซึ่งจัดระเบียบอยู่รอบดีเอ็นเอพอลิเมอเรส (DNA polymerase) ที่ทำหน้าที่จำลอง จะคัดลอกสายนำ (leading strand) อย่างต่อเนื่อง และสายตาม (lagging strand) อย่างไม่ต่อเนื่อง โดยมีการพิสูจน์อักษร (proofreading) และการซ่อมแซมความผิดพลาดในการจับคู่ (mismatch repair) เพื่อให้มั่นใจถึงความแม่นยำสูง ดังที่ O'Donnell และคณะได้ทบทวนไว้ ในขณะที่การจำลองดำเนินไป โครโมโซมลูกสองชุดจะถูกจัดระเบียบและแยกตัวอย่างแข็งขันไปยังขั้วเซลล์ตรงข้าม ซึ่งเป็นกระบวนการที่ Wang และคณะอธิบายในแง่ของกลไกการจัดระเบียบและการแบ่งโครโมโซม จากนั้นการแบ่งเซลล์จะเกิดขึ้นโดยการแบ่งแยกแบบทวิภาค ซึ่งเซลล์จะประกอบวงแหวนหดตัว (contractile ring) ที่กลางเซลล์ ซึ่งจะนำการสังเคราะห์ผนังกั้น (septum) และแยกเซลล์ลูกสองเซลล์ออกจากกันทางกายภาพ โดยแต่ละเซลล์ได้รับจีโนมที่สมบูรณ์

Clinical relevance

เป้าหมายยาต้านแบคทีเรียหลายชนิดอยู่ในกลไกการจำลองและการแบ่งเซลล์ และอัตราการจำลองและการแบ่งเซลล์มีส่วนทำให้ประชากรแบคทีเรียเติบโตและตอบสนองต่อความเครียดได้เร็วเพียงใด บทความนี้อธิบายถึงชีววิทยาพื้นฐานและไม่ใช่แนวทางในการเลือกยาหรือการจัดการผู้ป่วย

History

ลักษณะกึ่งอนุรักษ์ของการจำลองดีเอ็นเอและเอนไซม์วิทยาของดีเอ็นเอพอลิเมอเรสได้สร้างพื้นฐานโมเลกุลของการคัดลอกจีโนม และแบคทีเรียเช่น Escherichia coli ได้ทำหน้าที่เป็นแบบจำลองการทดลองหลัก งานวิจัยต่อมาเกี่ยวกับรีพลิโซมและการแยกโครโมโซมและอุปกรณ์การแบ่งเซลล์ ซึ่งสังเคราะห์ขึ้นในการทบทวนโดย O'Donnell และโดย Wang และคณะ ได้รวมการจำลองเข้ากับวงจรเซลล์ของแบคทีเรีย

Key figures

• Arthur Kornberg
• Mike O'Donnell
• David Rudner

Seminal works

• odonnell-2013
• wang-2013

Frequently asked questions

การจำลองของแบคทีเรียเป็นแบบสองทิศทางหมายความว่าอย่างไร?

การจำลองเริ่มต้นที่จุดกำเนิดหนึ่งจุด และส้อมจำลองสองอันจะเคลื่อนที่ออกจากจุดนั้นในทิศทางตรงกันข้ามรอบโครโมโซมวงกลมจนกว่าจะมาบรรจบกันที่จุดสิ้นสุด ดังนั้นจีโนมทั้งหมดจะถูกคัดลอกในเวลาประมาณครึ่งหนึ่งของเวลาที่ส้อมจำลองเดี่ยวจะใช้

แบคทีเรียแบ่งตัวอย่างไร?

แบคทีเรียส่วนใหญ่แบ่งตัวโดยการแบ่งแยกแบบทวิภาค: หลังจากโครโมโซมถูกคัดลอกและแยกตัว เครื่องจักรการแบ่งเซลล์รูปวงแหวนจะประกอบขึ้นที่กลางเซลล์และสร้างผนังกั้นที่แบ่งเซลล์ออกเป็นสองเซลล์ลูก