基于DNA复制起始非同步的大肠杆菌的生长在单细胞水平上探索DNA对细菌细胞周期的影响

Bacteria increase a fixed amount of cell volume (Δ) between adjacent divisions in steady state, known as the Adder Rule. How the DNA (content and oriC number) affect cell cycle (cell elongation rate and division frequency) is unknown due to a lack of methods to perturb DNA content and oriC number in isogenic individual bacteria while maintaining their steady state. To unravel the influence of DNA on bacterial cell cycle, we propose to observe the cell growth and division at single-cell level, using an E. coli strain with asynchronous DNA replication initiation which yields various oriC number and DNA content in individuals. Our preliminary experiments imply that DNA indeed affect bacterial cell cycle because we found 1) the location of septum is subject to the DNA content distribution in nascent dividing cells and 2) the Δ distribution becomes broad when the DNA content varied largely in individual bacteria during steady state. This study is expected to quantitatively link DNA (content and oriC number) with bacterial cell cycle (bacterial elongation rate and division rate), which will pave the road for the mechanism study of the Adder Rule.

稳态下细菌每个细胞周期内增加固定的细胞体积(Δ)。此现象中DNA的作用很少被关注，因为稳态下细菌个体有相似的DNA含量和复制起始频率，难以既保持稳态又能对细菌个体的这两个参数进行有差别的扰动。我们以DNA复制起始非同步的大肠杆菌做为观测对象，利用其群体内个体oriC数量和DNA含量均大概率不同的特点，在单细胞水平上研究分析该菌株的生长和分裂规律，旨在回答基因型相同的细菌个体，oriC数量以及DNA含量的不同将如何影响生长速率以及后代细胞分裂速率这一科学问题。我们推测DNA会对细菌的分裂位置，生长速度以及后代的分裂频率产生影响，主要因为我们在初步实验中发现：DNA含量在菌体内分布会影响细胞分裂的位置，且在同一培养条件下的细菌，Δ也受到DNA复制起始频率扰动。本项目将创建细菌体内DNA（oriC数量和DNA含量）与细胞周期（细菌生长和分裂速率）间的定量关系，为探索Δ为定值的原因提供科学依据。

大肠杆菌通过协调DNA复制以及生长分裂从而实现每个细胞里有至少一份完整DNA，但的协调机制仍不清楚。本项目通过在单细胞层面利用非同步菌株研究了DNA复制对于细胞生长分裂的影响，以及在野生型细菌中研究了DNA复制起始对细胞分裂的影响，从而寻找普遍存在的细菌生长分裂与DNA复制的协调机制。通过研发高通量的显微成像分析系统，我们得以在单细胞层面上同时观测细胞的生长分裂以及DNA复制情况，以及对于这些过程的生理状态进行定量刻画。通过观测每个分裂周期内所有复制起始位点（ori）的起始次数，我们发现ori并不完全遵循每个分裂周期内只起始一次的规律，而且较多或者较少的复制起始次数会在未来的代际里得到纠正。其次，我们探索了细菌如何维持恒定DNA的量与细胞大小的关系，我们发现细菌通过调整分裂位置以及动态调整复制起始时间来维持一定的DNA的量与细胞大小之比。最后，我们通过观察不同时间窗口内的Adder现象，发现在多种生长状态下，“分裂-分裂”和“复制起始-复制起始”的Adder不总是成立，而“复制起始-对应分裂”的Adder则稳定存在，进而说明细胞通过维持固定的“DNA复制起始-对应细胞分裂”间的细胞体积变化量来协调复制起始与分裂的关系。这些结果对于在分子层面上揭示细菌生长分裂与DNA复制的耦合机制提供了重要的信息。