Структура биокристаллического нуклеоида и его роль в регуляции диссоциативной фенотипической гетерогенности микробных популяций

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Выживание микробной популяции в неблагоприятных для роста условиях обеспечивается: (1) образованием клеток-персистеров (П), созревающих в аметаболические покоящиеся формы (ПФ); (2) защитой хромосомальной ДНК путем формирования биокристаллического нуклеоида (БН); (3) способностью ПФ прорастать в свежей среде смешанной популяцией фенотипически различающихся диссоциантов, один из которых будет к ней наиболее адаптивен. Настоящее исследование решало две задачи: выяснить (1) как структурно организован БН в ПФ прокариот и (2) как биокристаллизация нуклеоида связана с фенотипической гетерогенностью популяций, вырастающих из ПФ. В работе предложена новая модель декристаллизации/рекристаллизации БН при нагревании/охлаждении ПФ при сублетальных температурах в неростовой среде, что воспроизводит динамику формирования БН в модели организации нуклеоида как складчатой глобулы. Электронно-микроскопический анализ структурных изменений БН в прогретых/охлажденных ПФ, совокупно с определением диссоциативных спектров вырастающих из них популяций, позволил получить следующую новую информацию. Биокристаллизация нуклеоида происходит в следующей последовательности: (1) начинающаяся ко-кристаллизация ДНК-Dps сопровождается разделением объема нуклеоида с формированием из суперскладчатой ДНК компактизованного нуклеоида в центральной области клетки и отходящих от него петель линейной ДНК; (2) ко-кристаллизация петельной ДНК-Dps сопровождается ее различной геометрической укладкой – тороидальной, ламеллярной, др.; (3) кристаллизация Dps-Dps, повторяющая матричную укладку петельной ДНК-Dps, приводила к образованию кристаллического массива Dps-Dps, что завершает образование БН. Обнаружено, что нагревание ПФ (45‒70°С, 15 мин), приводящее к декристаллизации петельной ДНК-Dps при сохранении структурированности компактизованного нуклеоида, не влияет на диссоциативный (колониально-морфологический) спектр популяции, вырастающей из ПФ. На изменение ее диссоциативного спектра влияет процесс рекристаллизации ДНК-Dps, при котором, по-видимому, происходит связывание Dps не только с прежними, но и с другими сайтами ДНК, также афинными для Dps, что влияет на изменение топологии ДНК и ее транскрипцию.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Г. И. Эль-Регистан

ФИЦ “Фундаментальные основы биотехнологии РАН”

Email: elenademkina@mail.ru

Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского

Россия, 119071, Москва

Н. Е. Сузина

ФИЦ “Пущинский научный центр биологических исследований РАН”

Email: elenademkina@mail.ru

Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН

Россия, Пущино, 142290

Е. В. Демкина

ФИЦ “Фундаментальные основы биотехнологии РАН”

Автор, ответственный за переписку.
Email: elenademkina@mail.ru

Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского

Россия, 119071, Москва

Ю. А. Николаев

ФИЦ “Фундаментальные основы биотехнологии РАН”

Email: elenademkina@mail.ru

Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского

Россия, 119071, Москва

Список литературы

  1. Кряжевских Н. А., Демкина Е. В., Лойко Н. Г., Колганова Т. В., Соина В. С., Манучарова Н. А., Гальченко В. Ф., Эль-Регистан Г.И. Сравнение адаптационного потенциала изолятов из вечномерзлых осадочных пород Аrthrobacter oxydans и Аcinetobacter lwoffii и их коллекционных аналогов // Микробиология. 2013. Т. 82. С. 27‒41.
  2. Kryazhevskikh N. A., Demkina E. V., Loiko N. G., Baslerov R. V., Kolganova T. V., Soina V. S., Manucharova N. A., Gal’chenko V.F., El’-Registan G.I. Comparison of the adaptive potential of the Arthrobacter oxydans and Acinetobacter lwoffii isolates from permafrost sedimentary rock and the analogous collection strains // Microbiology (Moscow). 2013. V. 82. P. 29‒42.
  3. Лойко Н. Г., Козлова А. Н., Николаев Ю. А., Гапо нов А. М., Тутельян А. В., Эль-Регистан Г.И. Влияние стресса на образование антибиотикотолерантных клеток Escherichia coli // Микробиология. 2015. Т. 84. С. 595‒609.
  4. Loiko N. G., Kozlova A. N., Nikolaev Yu.A., Gaponov A. M., Tutel’yan A.V., El’-Registan G.I. Effect of stress on emergence of antibiotic-tolerant Escherichia coli cells // Microbiology (Moscow). 2015. V. 84. P. 595‒609.
  5. Лойко Н. Г., Сузина Н. Е., Соина В. С., Смирнова Т. А., Зубашева М. В., Азизбекян Р. Р., Синицын Д. О., Терешкина К. Б., Николаев Ю. А., Крупянский Ю. Ф., Эль-Регистан Г.И. Биокристаллические структуры в нуклеоидах стационарных и покоящихся клеток прокариот // Микробиология. 2017. Т. 86. С. 703–719.
  6. Loiko N. G., Suzina N. E., Soina V. S., Smirnova T. A., Zubasheva M. V., Azizbekyan R. R., Sinitsyn D. O., Tereshkina K. B., Nikolaev Yu.A., Krupyanskii Yu.F., El’-Registan G.I. Biocrystalline structures in the nucleoids of the stationary and dormant prokaryotic cells // Microbiology (Moscow). 2017. V. 86. P. 714‒727.
  7. Мулюкин А. Л., Козлова А. Н., Сорокин В. В., Сузина Н. Е., Чердынцева Т. А., Котова И . Б., Гапонов А. М., Тутельян А. В., Эль-Регистан Г .И. Формы выживания Pseudomonas aeruginosa при антибиотической обработке // Mикробиология. 2015. Т. 84. С. 645–659.
  8. Mulyukin A. L., Kozlova A. N., Sorokin V. V., Suzina N. E., Cherdyntseva T. A., Kotova I. B., Gaponov A. M., Tutel’yan A.V., El’-Registan G.I. Surviving forms in antibiotic-treated Pseudomonas aeruginosa // Microbiology (Moscow). 2015. V. 84. P. 751‒763.
  9. Мулюкин А. Л., Сузина Н. Е., Мельников В. Г., Гальченко В. Ф., Эль-Регистан Г.И. Состояние покоя и фенотипическая вариабельность у Staphylococcus aureus и Corynebacterium pseudodiphtheriticum // Микробиология. 2014. Т. 83. С. 15–27.
  10. Mulyukin A. L., Suzina N. E., Mel’nikov V.G., Gal’chenko V.F., El’-Registan G.I . Dormant state and phenotypic variability of Staphylococcus aureus and Corynebacterium pseudodiphtheriticum // Microbiology (Moscow). 2014. V. 83. P. 149‒159.
  11. Николаев Ю. А., Лойко Н . Г., Демкина Е. В., Атрощик Е. А., Константинов А. И., Перминова И. В., Эль-Регистан Г.И. Функциональная активность гуминовых веществ в пролонгировании выживания популяции углеводородокисляющей бактерии Аcinetobacter junii // Микробиология. 2020. Т. 89. С. 74‒87.
  12. Nikolaev Yu.A., Loiko N. G., Demkina E. V., Atroshchik E. A., Konstantinov A. I., Perminova I. V., El’-Registan G.I. Functional activity of humic substances in survival prolongation of populations of hydrocarbon-oxidizing bacteria Acinetobacter junii // Microbiology (Moscow). 2020. V. 89. P. 74‒85.
  13. Эль-Регистан Г.И., Мулюкин А. Л., Николаев Ю. А., Сузина Н. Е., Гальченко В. Ф., Дуда В. И. Адаптогенные функции внеклеточных ауторегуляторов микроорганизмов // Микробиология. 2006. Т. 75. С. 446‒456.
  14. El-Registan G.I., Mulyukin A. L., Nikolaev Yu.A., Suzina N. E., Gal’chenko V.F., Duda V. I. Adaptogenic functions of extracellular autoregulators of microorganisms // Microbiology (Moscow). 2006. V. 75. P. 380‒389.
  15. Abbondanzieri E. A., Vtyurina N., Meyer A . Nucleoid reorganization by the stress response protein Dps // Biophys. J. 2014. V. 106. Р. 79a.
  16. Albi E., Magni M. P.V. The role of intranuclear lipids // Biol. Cell. 2004. V. 96. Р. 657‒667.
  17. Antipov S. S., Tutukina M. N., Preobrazhenskaya E. V., Kondrashov F. A., Patrushev M. V., Toshchakov S. V., Dominova I., Shvyreva U. S., Vrublevskaya V. V., Morenkov O. S., Sukharicheva N. A., Panyukov V. V., Ozoline O. N. The nucleoid protein Dps binds genomic DNA of Escherichia coli in a non-random manner // PLoS One. 2017. V. 12. Art. e0182800.
  18. Azam T. A., Iwata A., Nishimura A., Ueda S., Ishihama A . Growth phase-dependent variation in protein composition of the Escherichia coli nucleoid // J. Bacteriol. 1999. V. 181. Р. 6361‒6370.
  19. Balaban N. Q., Helaine S., Lewis K., Ackermann M., Aldridge B., Andersson D. I., Brynildsen M. P., Bumann D., Camilli A., Collins J. J., Dehio C., Fortune S., Ghigo J.-M., Hardt W.-D, Harms A., Heinemann M., Hung D. T., Jenal U., Levin B. R., Michiels J., Storz G., Tan M.-W., Tenson T., Melderen L.Van, Zinkernagel A. Definitions and guidelines for research on antibiotic persistence // Nat. Rev. Microbiol. 2019. V. 17. Р. 441–448.
  20. Dadinova L. A., Chesnokov Y. M., Kamyshinsky R. A., Orlov I. A., Petoukhov M. V., Mozhaev A. A., Soshinskaya E. Yu., Lazarev V. N., Manuvera V. A., Orekhov A. S., Vasiliev A. L. , Shtykova E. V. Protective Dps–DNA co-crystallization in stressed cells: an in vitro structural study by small-angle X-ray scattering and cryo-electron tomography // FEBS Lett. 2019. V. 593. Р. 1360–1371.
  21. Dame R. T., Rashid F. Z.M., Grainger D. C. Chromosome organization in bacteria: mechanistic insights into genome structure and function // Nature Rev. Genet. 2020. V. 21. Р. 227‒242.
  22. Espeli O., Mercier R., Boccard F. DNA dynamics vary according to macrodomain topography in the E. coli chromosome // Mol. Microbiol. 2008. V. 68. Р. 1418‒1427.
  23. Frenkiel-Krispin D., Ben-Avraham I., Englander J., Shimoni E., Wolf S. G., Minsky A. Nucleoid restructuring in stationary-state bacteria // Mol. Microbiol. 2004. V. 51. Р. 395–405.
  24. Frenkiel-Krispin D., Levin-Zaidman S., Shimoni E., Wolf S. G., Wachtel E. J., Arad T., Minsky A . Regulated phase transitions of bacterial chromatin: a non-enzymatic pathway for generic DNA protection // EMBO J. 2001. V. 20. Р. 1184‒1191.
  25. Grant R. A., Filman D. J., Finkel S. E., Kolter R., Hogle J. M. The crystal structure of Dps, a ferritin homolog that binds and protects DNA // Nature Struct. Biol. 1998. V. 5. Р. 294–303.
  26. Grosberg A. Y., Nechaev S. K., Shakhnovich E. I. The role of topological constraints in the kinetics of collapse of macromolecules // J. Physique. 1988. V. 49. Р. 2095‒2100.
  27. Karas V. O., Westerlaken I., Meyer A. S. The DNA-binding protein from starved cells (Dps) utilizes dual functions to defend cells against multiple stresses // J. Bacteriol. 2015. V. 197. Р. 3206‒3215.
  28. Krupyanskii Y. F., Loiko N. G., Sinitsyn D. O., Tereshkina K. B., Tereshkin E. V., Frolov I. A., Chulichkov A. L., Bokareva D. A., Mysyakina I. S., Nikolaev Y. A., El’-Registan G.I., Popov V. O., Sokolova O. S., Shaitan K. V. , Popov A. N. Biocrystallization in bacterial and fungal cells and spores // Crystallogr. Rep. 2018. V. 63. Р. 594‒599.
  29. Krupyanskii Y. F. Determination of DNA architecture of bacteria under various types of stress, methodological approaches, problems, and solutions // Biophys. Rev. 2023. V. 15. Р. 1035‒1051.
  30. Melekhov V. V., Shvyreva U. S., Timchenko A. A., Tutukina M. N., Preobrazhenskaya E. V., Burkova D. V., Artiukhov V. G., Ozoline O. N., Antipov S. S. Modes of Escherichia coli Dps interaction with DNA as revealed by atomic force microscopy // PLoS One. 2015. V. 10. Art. e0126504.
  31. Mika J. T., Poolman B. Macromolecule diffusion and confinement in prokaryotic cells // Curr. Opin. Biotechnol. 2011. V. 22. Р. 117‒126.
  32. Minsky A., Shimoni E., Frenkiel-Krispin D. Stress, order and survival // Nature Rev. Mol. Cell Biol. 2002. V. 3. P. 50–60.
  33. Mourão M. A., Hakim J. B., Schnell S. Connecting the dots: the effects of macromolecular crowding on cell physiology // Biophys. J. 2014. V. 107. Р. 2761‒2766.
  34. Nikolaev Y. A., Loiko N. G., Galuza O. A., Mardanov A. V., Beletskii A. V., Deryabin D. G., Demkina E. V., El’-Registan G.I. Transcriptome analysis of Escherichia coli dormant cystlike cells // Microbiology (Moscow). 2023. V. 92. Р. 775‒791.
  35. Orban K., Finkel S. E. Dps is a universally conserved dual-action DNA-binding and ferritin protein // J. Bacteriol. 2022. V. 204. Art. e00036-22.
  36. Parry B. R., Surovtsev I. V., Cabeen M. T., O’Hern C.S., Dufresne E. R., Jacobs-Wagner C. The bacterial cytoplasm has glass-like properties and is fluidized by metabolic activity // Cell. 2014. V. 156. Р. 183‒194.
  37. Postow L., Hardy C. D., Arsuaga J., Cozzarelli N. R. Topological domain structure of the Escherichia coli chromosome // Genes Dev. 2004. V. 18. Р . 1766‒1779.
  38. Soina V. S., Mulyukin A. L., Demkina E. V., Vorobyova E. A., El-Registan G.I. The structure of resting microbial populations in soil and subsoil permafrost // Astrobiology. 2004. V. 4. P. 348‒358.
  39. Suzina N. E., Mulyukin A. L., Dmitriev V. V., Nikolaev Yu.A., Shorokhova A. P., Bobkova Yu.S., Barinova E. S. , Plakunov V. K., El-Registan G.I., Duda V. I. The structural bases of long-term anabiosis in non-spore-forming bacteria // J. Adv. Space Res. 2006. V. 38. P.1209‒1219.
  40. Van den Bergh B., Michiels J. E., Wenseleers T., Windels E. M., Boer P. V., Kestemont D., De Meester L., Verstrepen K. J., Verstraeten N., Fauvart M., Michiels J . Frequency of antibiotic application drives rapid evolutionary adaptation of Escherichia coli persistence // Nat. Microbiol. 2016. V. 1. Art. 16020.
  41. Vtyurina N. N. , Dulin D., Docter M. W., Meyer A. S., Dekker N. H., Abbondanzieri E. A. Hysteresis in DNA compaction by Dps is described by an Ising model // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2016. V. 113. Р. 4982‒4987.
  42. Willenbrock H., Ussery D. W. Chromatin architecture and gene expression in Escherichia coli // Genome Biol. 2004.V. 5. Art. 252.
  43. Zaccarelli E., Buldyrev S. V., La Nave E., Moreno A. J., Saika-Voivod I., Sciortino F., Tartaglia P. Model for reversible colloidal gelation // Phys. Rev. Lett. 2005. V. 94. Art. 218301.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Тонкие срезы интактных ПФ E. coli (3 мес.): а – ПФ I типа тонкостенная; б – ПФ II типа многослойная. Видны: область компактизованного нуклеоида (а, б, е); многослойная оболочка ПФ II типа (б); ламеллярная укладка ДНК-Dps и/или Dps-Dps (г); тороидальная укладка ДНК-Dps и/или Dps-Dps (в). Масштабная метка – 0.2 мкм.

Скачать (66KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Тонкие срезы интактных ПФ P. extremaustralis (3 мес.): а – ПФ I типа; б – ПФ II типа. Видны: ламеллярная укладка ДНК-Dps и/или Dps-Dps (в, г); тороидальная укладка ДНК-Dps (г). Масштабная метка – 0.2 мкм.

Скачать (93KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Тонкие срезы интактных ПФ R. erythropolis (3 мес.): а, б – ПФ I типа; в – ПФ II типа. Видны: компактизованный нуклеоид (а, б); жидкокристаллическая структура ДНК компактизованного нуклеоида изотропного типа (б); мембраноподобные линейные структуры (б); многослойная укладка и петля линейной ДНК-Dps (в). Масштабная метка – 0.2 мкм.

Скачать (132KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Тонкие срезы ПФ E. coli, нагретых до 50°С, моментальная фиксация. Видны: расплав биокристаллического нуклеоида (БН); жидкокристаллическая структура компактизованного нуклеоида изотропного типа. Масштабная метка – 0.2 мкм.

Скачать (30KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Тонкие срезы ПФ E. coli, нагретых до 55°С, моментальная фиксация: плавление тороидальной структуры в ПФ I типа. Видны: сохранившие биокристаллическую структуру тороиды и нити ДНК-Dps. Увеличение – отходящая от тороида нить ДНК-Dps (б). Масштабная метка – 0.2 мкм.

Скачать (72KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Тонкие срезы ПФ E. coli, нагретых до 65°С, моментальная фиксация: клетка с расплавленным БН. Видны отдельные островки плотной укладки БН (а, б, в); нити ДНК-Dps (б); фрагменты расплавлена БН Dps-Dps (б, в, г). Масштабная метка – 0.2 мкм.

Скачать (64KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Тонкие срезы ПФ E. coli, нагретых до 55°С, быстрое охлаждение. Видны: расширенное периплазматическое пространство в прогретых ПФ (а); нить линейной ДНК-Dps (б); жидкокристаллическая структура ДНК биокристаллического нуклеоида холестерического типа. Масштабная метка – 0.2 мкм.

Скачать (48KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Тонкие срезы ПФ E. coli, нагретых до 65°С, быстрое охлаждение: а‒е – плазмолиз протопласта и плавление БН. Видно: увеличение периплазматического пространства (а, б); обрывки укладки Dps-Dps в периплазматическом пространстве (б); остатки плотной укладки биокристалла (а). Масштабная метка – 0.2 мкм.

Скачать (38KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Нагрев ПФ E. coli, нагретых до 55°С, медленное охлаждение: а, б – плазмолиз, начало рекристаллизации БН. В охлажденных ПФ видны: уплотненные участки БН (а); образование тороидов (а, б). Масштабная метка – 0.2 мкм.

Скачать (62KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Тонкие срезы ПФ R. erythropolis, нагретых до 60°C, быстрое охлаждение: а‒г – компактизованный нуклеоид. Видны: области сохранившей структуру жидкокристаллической ДНК холестерического (в, г) и изотропного типа компактизованного нуклеоида (б); укладка нитей ДНК-Dps (а, б), в том числе тороидального типа (б). Масштабная метка – 0.2 мкм.

Скачать (69KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Тонкие срезы ПФ R. erythropolis, нагретых до 50°C, быстрое охлаждение: а – клетка с достаточно хорошо сохранившимся БН. Видны: жидкокристаллическая ДНК сохранившего структуру компактизованного нуклеоида. Масштабная метка – 0.2 мкм.

Скачать (47KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Тонкие срезы ПФ R. erythropolis, нагретых до 60°C, медленное охлаждение. Видны: а, б – компактизованный нуклеоид, практически восстановивший свою структуру БН (а, б); тороидальные структуры ДНК-Dps (а); петля нити линейной ДНК-Dps (б). Масштабная метка – 0.2 мкм.

Скачать (58KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Тонкие срезы ПФ R. erythropolis, нагретых до 70°C, быстрое охлаждение: а, б – восстановление БН. Видны: образование и укладка нитей линейной ДНК-Dps (а); сохранившаяся укладка тяжей суперспирализованной ДНК компактизованного нуклеоида холестерического типа (б). Масштабная метка – 0.2 мкм.

Скачать (50KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Тонкие срезы ПФ P. extremaustralis, нагретых до 60°С, медленное охлаждение (а‒д). Видны: сохранившие интактность ПФ II типа (а) и I типа (б) с включениями поли-β-оксимасляной кислоты (ПОМК) (б); нити ДНК потерявшего структурированность компактного нуклеоида (в); самосборка нитей ДНК-Dps в “тороидальные” структуры (г, д). Масштабная метка – 0.2 мкм.

Скачать (60KB)
Метаданные
16. Дополнительные материалы
Скачать (2MB)
Метаданные
17. Дополнительные материалы. 1S

Скачать (38KB)
Метаданные
18. Дополнительные материалы. 2S

Скачать (39KB)
Метаданные
19. Дополнительные материалы. 3S

Скачать (58KB)
Метаданные
20. Дополнительные материалы. 4S

Скачать (30KB)
Метаданные
21. Дополнительные материалы. 5S

Скачать (69KB)
Метаданные
22. Дополнительные материалы. 6S

Скачать (38KB)
Метаданные
23. Дополнительные материалы. 7S

Скачать (32KB)
Метаданные
24. Дополнительные материалы. 8S

Скачать (48KB)
Метаданные
25. Дополнительные материалы. 9S

Скачать (49KB)
Метаданные
26. Дополнительные материалы. 10S

Скачать (67KB)
Метаданные
27. Дополнительные материалы. 11S

Скачать (36KB)
Метаданные
28. Дополнительные материалы. 12S

Скачать (42KB)
Метаданные
29. Дополнительные материалы. 13S

Скачать (33KB)
Метаданные
30. Дополнительные материалы. 14S

Скачать (64KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024