カウロバクター・クレセンタス

Caulobacter crescentusは、淡水湖や河川に広く分布するグラム陰性の貧栄養細菌です。この分類群は、より正確にはCaulobacter vibrioides (Henrici and Johnson 1935) として知られています。 ^{[ 1 ]}

C. crescentusは、細胞周期の調節、非対称細胞分裂、および細胞分化の研究において重要なモデル生物である。Caulobacter の娘細胞は、大きく異なる2つの形態を持つ。1つは、細胞の一方の極に1本の鞭毛を持ち、走化性による遊泳運動を行う「スウォーマー」細胞である。もう1つの娘細胞は「柄細胞」と呼ばれ、一方の極から管状の柄状構造が突き出ており、その先端には接着性の付着物質があり、柄細胞はこの物質によって表面に付着することができる。スウォーマー細胞は、短期間の運動の後、柄細胞に分化する。染色体複製と細胞分裂は、柄細胞の段階でのみ起こる。

C. crescentus は、タンパク質クレセンチンによって引き起こされる三日月形にちなんで名付けられました。栄養分の乏しい水生環境に生息するため、研究対象として興味深い生物です。低栄養レベルでも生育できるのは、二形性の発生サイクルによるものです。遊走細胞は、片方の極から鞭毛が突き出ており、柄細胞に分化しない限り、 DNA 複製を開始できません。分化プロセスには、鞭毛の排出と、同じ極での柄の成長を特徴とする形態変化が含まれます。柄細胞は、反対側の極で鞭毛を成長させながら伸長して DNA を複製し、分裂前細胞を生じます。柄の正確な機能はまだ研究中ですが、柄は栄養制限条件下での栄養素の取り込みに関与していると考えられます。^{[ 2 ]}モデル生物としての使用は、発生生物学者のルーシー・シャピロによって始まりました。^{[ 3 ] [ 4 ]}

実験室では、研究者はC. crescentus株 CB15 (淡水湖から最初に分離された株) と NA1000 (主要な実験株) を区別しています。1970 年代に CB15 から派生した株 NA1000 ^{[ 5 ]}では、柄のある細胞と分裂前の細胞を実験室で新しい遊走細胞から物理的に分離できますが、株 CB15 の細胞型は物理的に分離できません。分離された遊走細胞は、同期培養として増殖できます。細胞周期を進むこれらの細胞の分子発達の詳細な研究により、研究者はCaulobacter の細胞周期制御を詳細に理解できるようになりました。物理的に同期できるこの能力により、株 NA1000 は世界中で主要な実験用Caulobacter株となっています。その後、実験室環境における NA1000 株への選択圧により、2 つの株間にさらなる表現型の違いが蓄積されました。 2つの株間の表現型の違いの遺伝的基盤は、5つの染色体座におけるコーディング、調節、および挿入/欠失多型に起因する。^{[ 6 ]} C. crescentusはCaulobacter vibrioidesと同義である。^{[ 1 ]}

Caulobacter CB15のゲノムは、単一の環状染色体上に 4,016,942 塩基対を持ち、3,767 個の遺伝子をコードしています。^{[ 7 ]}ゲノムには、栄養分の乏しい環境での生存に不可欠なタンパク質をコードする遺伝子のクラスターが複数含まれています。これには、走化性、外膜チャネル機能、芳香環化合物の分解、植物由来の炭素源の分解に関与するものに加え、多くの細胞外機能シグマ因子が含まれており、生物に幅広い環境変動に対応する能力を与えています。2010 年に、Caulobacter NA1000 株の配列が決定され、CB15「野生型」株とのすべての違いが特定されました。^{[ 6 ]}

カウロバクターの柄細胞期は、細胞を表面に固定してバイオフィルムを形成したり、栄養源を利用したりすることで、適応度を高める利点をもたらします。一般的に、最も速く分裂する細菌種は、資源の利用効率が高く、生態的ニッチを効果的に占有できます。しかし、カウロバクターには、個体群の成長を遅らせる遊走細胞期があります。遊走細胞は細胞分散を担い、生物が常に新しい環境を探し求めるようにすると考えられています。これは、利用可能なわずかな資源が非常に早く枯渇する、栄養分が極度に制限された環境では特に有用かもしれません。遊走細胞の娘細胞の多く、おそらくほとんどは生産的な環境を見つけられないでしょうが、この必須の分散段階は、種全体の繁殖適応度を高めるに違いありません。

カウロバクターの細胞周期制御システムは、細胞の成長と複製の進行を組織する多くのモジュール型サブシステムを制御します。生化学的および遺伝学的論理回路を使用して構築された制御システムは、これらのサブシステムの開始のタイミングを組織します。細胞周期制御の中心となるのは、5 つのマスター制御タンパク質 (DnaA、GcrA、CtrA、SciP、CcrM) の連続的な相互作用を中心とした循環遺伝子回路 (細胞周期エンジン) です。これらのタンパク質の役割は、ルーシー・シャピロとハーレー・マクアダムスの研究室によって解明されました。^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} これらの 5 つのタンパク質は、200 を超える遺伝子の発現のタイミングを直接制御します。5 つのマスター制御タンパク質は、細胞周期の過程で、1 つずつ合成され、その後細胞から除去されます。いくつかの追加の細胞シグナル伝達経路も、この細胞周期エンジンの適切な機能に不可欠です。これらのシグナル伝達経路の主な役割は、細胞周期の適切なタイミングでCtrAタンパク質が確実に産生され、細胞から除去されることを保証することである。

An essential feature of the Caulobacter cell cycle is that the chromosome is replicated once and only once per cell cycle. This is in contrast to the E. coli cell cycle where there can be overlapping rounds of chromosome replication simultaneously underway. The opposing roles of the Caulobacter DnaA and CtrA proteins are essential to the tight control of Caulobacter chromosome replication.^[11] The DnaA protein acts at the origin of replication to initiate the replication of the chromosome. The CtrA protein, in contrast, acts to block initiation of replication, so it must be removed from the cell before chromosome replication can begin. Multiple additional regulatory pathways integral to cell cycle regulation and involving both phospho signaling pathways and regulated control of protein proteolysis^[12] act to assure that DnaA and CtrA are present in the cell just exactly when needed.

Each process activated by the proteins of the cell cycle engine involve a cascade of many reactions. The longest subsystem cascade is DNA replication. In Caulobacter cells, replication of the chromosome involves about 2 million DNA synthesis reactions for each arm of the chromosome over 40 to 80 min depending on conditions. While the average time for each individual synthesis reaction can be estimated from the observed average total time to replicate the chromosome, the actual reaction time for each reaction varies widely around the average rate. This leads to a significant and inevitable cell-to-cell variation time to complete replication of the chromosome. There is similar random variation in the rates of progression of all the other subsystem reaction cascades. The net effect is that the time to complete the cell cycle varies widely over the cells in a population even when they all are growing in identical environmental conditions. Cell cycle regulation includes feedback signals that pace progression of the cell cycle engine to match progress of events at the regulatory subsystem level in each particular cell. This control system organization, with a controller (the cell cycle engine) driving a complex system, with modulation by feedback signals from the controlled system creates a closed loop control system.

The rate of progression of the cell cycle is further adjusted by additional signals arising from cellular sensors that monitor environmental conditions (for example, nutrient levels and the oxygen level) or the internal cell status (for example, presence of DNA damage).^[13]

Caulobacter の細胞周期の進行を指示し、ペースを調整する制御回路は、統合システムとして機能している細胞全体を巻き込んでいます。制御回路は、細胞周期サブシステムの活性化とCaulobacter crescentus の非対称細胞分裂を統制しながら、環境と細胞トポロジーを含む細胞の内部状態を監視します。Caulobacterの細胞周期制御システムのタンパク質とその内部構造は、多くのアルファプロテオバクテリア種で共保存されていますが、調節装置の機能と他の細胞サブシステムへの周辺接続には、種によって大きな違いがあります。^{[ 14 ] [ 15 ]} Caulobacterの細胞周期制御システムは、内部の確率的ノイズと環境の不確実性に直面しても堅牢に動作するための全体システムとして、進化選択によって精巧に最適化されています。

細菌細胞の制御システムは階層的な組織構造を持つ。^{[ 16 ]}シグナル伝達および制御サブシステムは、主に細胞表面に位置する感覚モジュールを介して環境とインターフェースする。遺伝子ネットワークロジックは、環境および細胞内部の状態センサーから受け取ったシグナルに応答し、細胞を現在の状況に適応させる。最上位レベルの制御の主要な機能は、細胞周期に関わる操作が適切な時間順序で行われることを保証することである。Caulobacter では、これは 5 つのマスターレギュレーターと関連するリン酸化シグナル伝達ネットワークから構成される遺伝子制御回路によって達成される。リン酸化シグナル伝達ネットワークは細胞周期の進行状態を監視し、非対称細胞分裂の達成に不可欠な役割を果たす。細胞周期制御システムは、染色体複製と細胞質分裂の開始の時間と場所、および極性オルガネラの発達を管理する。これらの操作のすべてを支えるのは、タンパク質および構造成分の生成とエネルギー生成のメカニズムである。細胞の維持に関わる代謝系と異化系のサブシステムは、タンパク質合成、細胞壁構築、その他の細胞機能に必要なエネルギーと分子原料を提供する。これらの維持機能は、細胞周期制御システムと双方向的に連動している。しかし、利用可能な栄養源の組成やレベルの変化には、細胞周期制御ロジックとはある程度独立して適応することができる。

カウロバクター細胞周期制御システムのタンパク質はアルファプロテオバクテリア全体で広く共保存されているが、この制御システムの最終的な機能は種によって大きく異なる。これらの進化的な変化は、適応戦略や生態的ニッチにおける個々の種間の大きな違いを反映している。例えば、アグロバクテリウム・ツメファシエンスは植物病原菌、ブルセラ・アボルタスは動物病原菌、シノリゾビウム・メリロティは窒素固定を行う植物の根粒に侵入して共生する土壌細菌であるが、カウロバクター細胞周期制御のタンパク質のほとんどはこれらの種にも見られる。細胞周期制御ネットワークのタンパク質成分と回路の下流の読み出しとの間の特定の結合は種によって異なる。ネットワーク回路の内部機能は保存されているが、制御装置の「端」における特定の細胞機能を制御するタンパク質との結合は、種によって大きく異なるというパターンが見られる。

Caulobacter crescentusは、細胞体から伸びる管状の突起である柄構造を持つ細菌群の一員です。しかし、柄の位置は、近縁種間で細胞体の極に必ずしも保存されているわけではありません。具体的には、近縁属Asticcacaulisでは柄の位置が変化するだけでなく、その数も変化する可能性があることが研究で示されています。^{[ 17 ] [ 18 ]} Caulobacter crescentusの極性局在タンパク質である SpmX は、これらのAsticcacaulis種で柄の位置を操作することが示されています。 ^{[ 17 ]}おそらく、 Caulobacter crescentusの約 400 アミノ酸からAsticcacaulis種の 800 アミノ酸以上にタンパク質が拡張された後の機能獲得によって、これを実現していると考えられます。

Caulobacter は、老化することが示された最初の非対称細菌でした。 生殖老化は、時間の経過とともに生成される子孫の数の減少として測定されました。^{[ 19 ] [ 20 ]} C. crescentus の実験的進化研究に基づいて、Ackermann らは^{[ 19 ]}老化はおそらくすべての細胞生物の基本的な特性であると示唆しました。同様の現象はその後、形態的に類似した娘細胞を生み出す細菌Escherichia coliで記述されました。 ^{[ 21 ]}

C. crescentusでは、極性オルガネラの集合と分裂面の極性化によって細胞極性が容易に明らかになり、その結果、遊走子よりも長い柄のある子孫が生成される。分裂時に新しい細胞極が形成されるということは、柄のある子孫では細胞極性が再確立され、遊走子では反転する必要があることを意味する。^{[ 22 ]}

C. crescentus の生活環は、細胞周期タンパク質であるTipNなどの調節因子によって制御されています。イェール大学のデータは、TipN が前の細胞周期から位置の手がかりを提供することで極性軸の向きを調節するというモデルを強く示唆しています。このモデルでは、TipN は新しい極を識別することによって、最新の分裂の場所を指定します。細胞はこの位置情報を細胞内非対称性の源として使用し、極性の形態形成と分裂に不可欠な極性軸の向きを確立および維持します。分裂周期の終わりに新生極に TipN がリクルートされると、極のアイデンティティが再定義され、将来の娘細胞の両方で正しい極性がリセットされます (遊走細胞では極性が反転します)。^{[ 22 ]}これらの極性に局在する構造の細胞周期制御合成と除去は、適切な局在に重要なランドマークタンパク質の同定のための豊富な実験場を提供してきました。^{[ 23 ]} TipNはN末端領域に2つの膜貫通領域と大きなC末端コイルドコイルドメインを持つ。TipNホモログは他のアルファプロテオバクテリアにも存在する。TipNは分裂後、両方の娘細胞で新しい極に局在し、分裂前の後期細胞では細胞分裂部位に再局在する。したがって、両方の娘細胞は分裂後、新しい極にTipNを持つ。^{[ 23 ]}

ランドマークタンパク質TipNは、鞭毛の適切な配置に不可欠である。^{[ 24 ]} TipNを欠損した変異体は、発生において重大なミスを犯す。正しい細胞極に1本の鞭毛を作る代わりに、細胞は柄の上などさまざまな場所に複数の鞭毛を作る。^{[ 22 ]}

細胞発生には、このようなタンパク質が多数協調して働くことが関わっています。図1は、TipNが他の2つの極性タンパク質 、すなわち鞭毛マーカーPodJと柄マーカーDivJとどのように相互作用するかを示しています。^{[ 25 ]}

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