Warum haben einige Bakterien die meisten Gene auf dem führenden Strang des Genoms?

Das Muster, das wir bei B. subtilis sehen, ist bei Prokaryoten recht häufig. Der Replikationsursprung ist oben im Genomdiagramm dargestellt. Die DNA-Replikation verläuft von diesem Punkt an bidirektional. Im B. subtilis- Diagramm befinden sich die meisten Gene entlang des führenden Strangs in jeder Richtung. Auch in E. coli treten übrigens wichtige Gene, darunter alle rRNAs, eher am Leitstrang auf.

Warum ist das so? Schnell wachsende Bakterien replizieren ihre Genome die meiste Zeit oder die ganze Zeit , sodass Replikation und Transkription gleichzeitig stattfinden. Wenn sich Gene auf dem nacheilenden Strang befinden, verläuft die RNA-Transkription in der entgegengesetzten Richtung zur DNA-Replikation, und die DNA-Polymerase kollidiert häufig mit der RNA-Polymerase. Wenn sich die Gene jedoch auf dem Leitstrang befinden, verläuft die RNA-Transkription in die gleiche Richtung wie die Replikation, und Kollisionen werden minimiert. Daher der selektive Vorteil, die meisten Gene entlang des Leitstrangs zu positionieren.

Einige Gene können sich auch auf dem nacheilenden Strang befinden, um sie für die Mutagenese anzusteuern (Paul et al. 2013, Million-Weaver et al. 2015). Dies geht auf das Konzept der Transkriptions-Replikations-Kollisionen zurück, bei denen Frontalkollisionen schlimmer sind als Kollisionen in gleicher Richtung. Frontalgene haben tatsächlich eine höhere Mutationsrate und eine höhere Inzidenz konvergenter Mutationen, was darauf hindeutet, dass sie mutiert sind und sich schneller entwickeln als Leitstranggene. Dies ist insofern ein kontrollierter Prozess, als er nur in Genen mit Verzögerungssträngen auftritt und nur dann, wenn das Gen transkribiert wird (dh wenn es benötigt wird). Es wurde argumentiert, dass Bakterien auf diese Weise die Evolutionsrate auf kontrollierte Weise kontrollieren und erhöhen oder verringern können. Dies wurde von Chen und Zhang basierend auf computergestützter Modellierung argumentiert. Es ist ein interessantes Konzept, das heiß diskutiert wurde.

EDIT für zusätzliche Klarstellung und Referenzen:

Dieses Diagramm von Chen und Zhang (2013) hilft zu zeigen, was vor sich geht:

Bildunterschrift: Schematische Darstellung einer Kollision zwischen einer funktionierenden DNA-Polymerase und einer funktionierenden RNA-Polymerase in Bakterien. (a) Kodirektionale Kollision, wenn ein Gen auf dem Leitstrang kodiert ist. (b) Frontalkollision, wenn ein Gen auf dem Leitstrang kodiert ist nachlaufender Strang. Pfeile zeigen die Bewegungsrichtungen. “ (Chen und Zhang 2013)

Ein paar Referenzen

• Die ursprüngliche Idee geht fast 40 Jahre auf Nomura M. und Morgan, EA (1977) Genetics ofbacterial ribosomes zurück . Jährlich Rev. Genet. , 11, 297–347.

• Eine frühe Veröffentlichung über stark transkribierte rRNA auf dem Leitstrang: Ellwood M. und Nomura, M. (1982) Chromosomale Positionen der Gene für rRNA in Escherichia coli K-12. J. Bacteriol. , 149, 458–468.

• Ein aktueller Überblick: Rocha, EP (2004). Die replikationsbezogene Organisation bakterieller Genome . Mikrobiologie , 150(6), 1609-1627.

• Warum einige Gene auf dem nacheilenden Strang verbleiben: Chen, X., & Zhang, J. (2013). Warum sind Gene auf dem nacheilenden Strang des Bakteriengenoms kodiert? . Genombiologie und Evolution , 5(12), 2436-2439.

• Paul, S., Million-Weaver, S., Chattopadhyay, S., Sokurenko, E. und Merrikh, H. (2013). Beschleunigte Genevolution durch Replikations-Transkriptions-Konflikte. Natur 495, 512-515.

• Million-Weaver, S., Samadpour, AN, Moreno-Habel, DA, Nugent, P., Brittnacher, MJ, Weiss, E., Hayden, HS, Miller, SI, Liachko, I. und Merrikh, H. ( 2015b). Ein zugrunde liegender Mechanismus für die erhöhte Mutagenese von Genen mit nachlaufenden Strängen in Bacillus subtilis. Proc Natl Acad Sci USA 112, E1096-1105.