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开放问题:细菌基因组中的多个复制起点

了解细菌基因组中多个复制起点的详细信息。

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开放问题:细菌基因组中的多个复制起点

了解细菌基因组中多个复制起点的详细信息。

长期以来,生物学家认为每个细菌染色体仅有一个 ori。2011年,Wang 等人通过基因工程手段,在大肠杆菌中插入了一个合成的 ori,距离其已知的 ori 约一百万个核苷酸。令他们惊讶的是,大肠杆菌仍照常运作,复制过程在两个位置同时启动!

拥有多重 ori 的细菌的存在

该论文发表后,科学家们立即开始寻找自然界中存在多个 ori 的细菌。2012年,夏(Xia)对“单一 ori”假说提出质疑,并列举了一些具有异常偏斜特征的细菌。事实上,从进化的角度来看,拥有多个 ori 是合理的:如果基因组较长且复制速度较慢,那么多个复制起点可以缩短细菌完成DNA复制所需的时间。

例如,Wigglesworthia glossinidia 是一种生活在采采蝇肠道中的共生细菌,其偏斜图如下方所示。由于该图至少有两个明显的局部极小值,夏认为这种细菌可能具有两个或更多的 ori 区域。

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Wigglesworthia glossinidia 的偏斜图

基因组重排

我们应对夏提出的该细菌具有两个 ori 的假设保持谨慎,因为偏斜图中出现多个局部极小值可能有其他解释。
例如,基因组重排(我们将在后续课程中学习)会移动基因在基因组中的位置,常常将基因从正链转移到反链,反之亦然,从而导致偏斜图出现不规则现象。
一种典型的基因组重排是反转,即翻转染色体的一段序列,并将其切换到相反的链上。下图展示了反转发生后偏斜图的变化。

水平基因转移

另一个难题来自不同种类细菌之间可能发生水平基因转移的事实。如果一个细菌正链上的基因被转移到另一个细菌的反链上(或反之),就会在偏斜图中产生不规则现象。因此,关于 Wigglesworthia glossinidia 是否具有多个 ori 的问题至今仍未解决。

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(左) 一个理想的V形偏斜图,在 *ori* 处达到最小值。偏斜图沿反链下降(粗线表示),沿正链上升(细线表示)。假设环状染色体在 *ter* 处被切断,形成一条从 *ter* 开始、以 *ter* 结束的线性染色体。(右) 经过一次反转后,反链与正链之间的片段发生交换,导致偏斜图发生变化。尽管如此,图中粗线部分仍表现为下降,细线部分仍表现为上升。

然而,如果你能证明在 Wigglesworthia glossinidia 的偏斜图中,两个局部极小值附近分别存在两组相同的 DnaA 结合位点,那么你将获得支持多重细菌 ori 的首个坚实证据。
也许仅仅应用你解决“带错配和互补序列的频繁词”问题的方法,就能发现这些 DnaA 结合位点。你能找到其他单个 ori 存疑的细菌基因组,并验证它们是否确实具有多个 ori 吗?

DNA复制在基因组的哪个位置开始?

开放问题:在古菌中寻找复制起点