Published April 29, 2020 | Version v1
Publication Open

Macromolecular crowding links ribosomal protein gene dosage to growth rate in Vibrio cholerae

Creators

  • 1. Institut Pasteur
  • 2. Centre National de la Recherche Scientifique
  • 3. Fundación Instituto Leloir
  • 4. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
  • 5. Roskilde University
  • 6. National University of General San Martín
  • 7. Centre de Gestion Scientifique

Description

Abstract Background In fast-growing bacteria, the genomic location of ribosomal protein (RP) genes is biased towards the replication origin ( oriC ). This trait allows optimizing their expression during exponential phase since oriC neighboring regions are in higher dose due to multifork replication. Relocation of s10-spc-α locus (S10), which codes for most of the RP, to ectopic genomic positions shows that its relative distance to the oriC correlates to a reduction on its dosage, its expression, and bacterial growth rate. However, a mechanism linking S10 dosage to cell physiology has still not been determined. Results We hypothesized that S10 dosage perturbations impact protein synthesis capacity. Strikingly, we observed that in Vibrio cholerae , protein production capacity was independent of S10 position. Deep sequencing revealed that S10 relocation altered chromosomal replication dynamics and genome-wide transcription. Such changes increased as a function of oriC -S10 distance. Since RP constitutes a large proportion of cell mass, lower S10 dosage could lead to changes in macromolecular crowding, impacting cell physiology. Accordingly, cytoplasm fluidity was higher in mutants where S10 is most distant from oriC . In hyperosmotic conditions, when crowding differences are minimized, the growth rate and replication dynamics were highly alleviated in these strains. Conclusions The genomic location of RP genes ensures its optimal dosage. However, besides of its essential function in translation, their genomic position sustains an optimal macromolecular crowding essential for maximizing growth. Hence, this could be another mechanism coordinating DNA replication to bacterial growth.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

خلفية مجردة في البكتيريا سريعة النمو، يكون الموقع الجيني لجينات البروتين الريبوسومي (RP) متحيزًا نحو أصل التكاثر ( ORIC ). تسمح هذه السمة بتحسين تعبيرها خلال المرحلة الأسية لأن المناطق المجاورة لـ oriC في جرعة أعلى بسبب النسخ المتماثل متعدد الشوكات. يُظهر نقل موضع s10 - spc - α (S10)، الذي يرمز لمعظم RP، إلى المواضع الجينية خارج الرحم أن المسافة النسبية إلى oriC ترتبط بتقليل جرعته وتعبيره ومعدل نمو البكتيريا. ومع ذلك، لم يتم بعد تحديد آلية تربط جرعة S10 بفيزيولوجيا الخلية. النتائج افترضنا أن اضطرابات جرعة S10 تؤثر على قدرة تخليق البروتين. ومن اللافت للنظر أننا لاحظنا أنه في ضمة الكوليرا ، كانت قدرة إنتاج البروتين مستقلة عن موضع S10. كشف التسلسل العميق أن نقل S10 غيّر ديناميكيات التكاثر الكروموسومي والنسخ على مستوى الجينوم. زادت هذه التغييرات كدالة لمسافة oriC - S10. نظرًا لأن RP يشكل نسبة كبيرة من كتلة الخلية، فإن جرعة S10 المنخفضة يمكن أن تؤدي إلى تغييرات في الازدحام الجزيئي، مما يؤثر على فسيولوجيا الخلية. وفقًا لذلك، كانت سيولة السيتوبلازم أعلى في الطفرات حيث يكون S10 أبعد ما يكون عن oriC . في ظروف فرط التناضح، عندما يتم تقليل اختلافات الازدحام إلى الحد الأدنى، تم تخفيف معدل النمو وديناميكيات التكرار بشكل كبير في هذه السلالات. الاستنتاجات يضمن الموقع الجيني لجينات RP الجرعة المثلى. ومع ذلك، إلى جانب وظيفتها الأساسية في الترجمة، فإن موقعها الجيني يحافظ على الازدحام الجزيئي الضخم الأمثل الضروري لتحقيق أقصى قدر من النمو. وبالتالي، يمكن أن تكون هذه آلية أخرى تنسق تكاثر الحمض النووي للنمو البكتيري.

Translated Description (French)

Résumé Contexte Chez les bactéries à croissance rapide, l'emplacement génomique des gènes de la protéine ribosomique (RP) est biaisé vers l'origine de la réplication ( oriC ). Ce trait permet d'optimiser leur expression pendant la phase exponentielle puisque les régions voisines de l'oriC sont à des doses plus élevées en raison de la réplication multifork. La relocalisation du locus s10-spc-α (S10), qui code pour la majeure partie de la RP, dans des positions génomiques ectopiques montre que sa distance relative à l'oriC est corrélée à une réduction de sa posologie, de son expression et de son taux de croissance bactérienne. Cependant, un mécanisme reliant la posologie de S10 à la physiologie cellulaire n'a toujours pas été déterminé. Résultats Nous avons émis l'hypothèse que les perturbations de la posologie de S10 ont un impact sur la capacité de synthèse des protéines. Fait frappant, nous avons observé que chez Vibrio cholerae , la capacité de production de protéines était indépendante de la position S10. Le séquençage en profondeur a révélé que la relocalisation de S10 modifiait la dynamique de réplication chromosomique et la transcription à l'échelle du génome. Ces changements ont augmenté en fonction de la distance oriC -S10. Étant donné que la RP constitue une grande partie de la masse cellulaire, une dose plus faible de S10 pourrait entraîner des changements dans l'encombrement macromoléculaire, ce qui aurait un impact sur la physiologie cellulaire. En conséquence, la fluidité du cytoplasme était plus élevée chez les mutants où S10 est le plus éloigné de oriC . Dans des conditions hyperosmotiques, lorsque les différences d'encombrement sont minimisées, le taux de croissance et la dynamique de réplication ont été fortement atténués chez ces souches. Conclusions La localisation génomique des gènes RP assure son dosage optimal. Cependant, outre sa fonction essentielle de traduction, leur position génomique soutient un encombrement macromoléculaire optimal essentiel à la maximisation de la croissance. Par conséquent, il pourrait s'agir d'un autre mécanisme coordonnant la réplication de l'ADN à la croissance bactérienne.

Translated Description (Spanish)

Antecedentes abstractos En las bacterias de crecimiento rápido, la ubicación genómica de los genes de la proteína ribosómica (RP) está sesgada hacia el origen de replicación ( oriC ). Este rasgo permite optimizar su expresión durante la fase exponencial ya que las regiones vecinas de oriC están en dosis más altas debido a la replicación multihorquilla. La reubicación del locus s10-spc-α (S10), que codifica la mayor parte del RP, a posiciones genómicas ectópicas muestra que su distancia relativa al oriC se correlaciona con una reducción en su dosis, su expresión y la tasa de crecimiento bacteriano. Sin embargo, aún no se ha determinado un mecanismo que vincule la dosis de S10 con la fisiología celular. Resultados Planteamos la hipótesis de que las perturbaciones de la dosis de S10 afectan la capacidad de síntesis de proteínas. Sorprendentemente, observamos que en Vibrio cholerae , la capacidad de producción de proteínas era independiente de la posición S10. La secuenciación profunda reveló que la reubicación de S10 alteró la dinámica de replicación cromosómica y la transcripción de todo el genoma. Dichos cambios aumentaron en función de la distancia oriC -S10. Dado que la RP constituye una gran proporción de la masa celular, una dosis más baja de S10 podría provocar cambios en el apiñamiento macromolecular, lo que afectaría la fisiología celular. Por consiguiente, la fluidez del citoplasma fue mayor en los mutantes donde S10 está más distante de oriC . En condiciones hiperosmóticas, cuando se minimizan las diferencias de apiñamiento, la tasa de crecimiento y la dinámica de replicación se aliviaron en gran medida en estas cepas. Conclusiones La localización genómica de los genes RP asegura su dosificación óptima. Sin embargo, además de su función esencial en la traducción, su posición genómica mantiene un apiñamiento macromolecular óptimo esencial para maximizar el crecimiento. Por lo tanto, este podría ser otro mecanismo que coordine la replicación del ADN al crecimiento bacteriano.

Files

s12915-020-00777-5.pdf

Files (2.3 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:d995e472bd0429898dbc1f48690b1fa9
2.3 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
يربط الازدحام الجزيئي الكبير جرعة جين البروتين الريبوسومي بمعدل النمو في ضمة الكوليرا
Translated title (French)
L'encombrement macromoléculaire lie le dosage du gène de la protéine ribosomale au taux de croissance chez Vibrio cholerae
Translated title (Spanish)
El hacinamiento macromolecular vincula la dosis del gen de la proteína ribosómica con la tasa de crecimiento en Vibrio cholerae

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3023806759
DOI
10.1186/s12915-020-00777-5

Is supplement to
https://openalex.org/W84663166 (Other)
https://openalex.org/W4284970895 (Other)
https://openalex.org/W2155705928 (Other)
https://openalex.org/W2123987161 (Other)
https://openalex.org/W2122909165 (Other)
https://openalex.org/W2092686644 (Other)
https://openalex.org/W2084837006 (Other)
https://openalex.org/W2082627754 (Other)
https://openalex.org/W2059208699 (Other)
https://openalex.org/W2043025987 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W1489859347
  • https://openalex.org/W1501921723
  • https://openalex.org/W1520151308
  • https://openalex.org/W1888354418
  • https://openalex.org/W1899251850
  • https://openalex.org/W1924219513
  • https://openalex.org/W1925362388
  • https://openalex.org/W1966124059
  • https://openalex.org/W1967531530
  • https://openalex.org/W1969685924
  • https://openalex.org/W1978110792
  • https://openalex.org/W1978468198
  • https://openalex.org/W1985161570
  • https://openalex.org/W1987073458
  • https://openalex.org/W1990507322
  • https://openalex.org/W1992033675
  • https://openalex.org/W1997272729
  • https://openalex.org/W2007609997
  • https://openalex.org/W200778161
  • https://openalex.org/W2013041427
  • https://openalex.org/W2016263615
  • https://openalex.org/W2020426274
  • https://openalex.org/W2032276769
  • https://openalex.org/W2035327900
  • https://openalex.org/W2052195371
  • https://openalex.org/W2058729834
  • https://openalex.org/W2060598691
  • https://openalex.org/W2061228928
  • https://openalex.org/W2063480230
  • https://openalex.org/W2064534859
  • https://openalex.org/W2068175266
  • https://openalex.org/W2080938078
  • https://openalex.org/W2090419763
  • https://openalex.org/W2090433162
  • https://openalex.org/W2099519840
  • https://openalex.org/W2100638358
  • https://openalex.org/W2107996465
  • https://openalex.org/W2111354165
  • https://openalex.org/W2119604950
  • https://openalex.org/W2121980126
  • https://openalex.org/W2124985265
  • https://openalex.org/W2134526812
  • https://openalex.org/W2137119243
  • https://openalex.org/W2140197221
  • https://openalex.org/W2143420371
  • https://openalex.org/W2144657744
  • https://openalex.org/W2149633455
  • https://openalex.org/W2155359871
  • https://openalex.org/W2157248714
  • https://openalex.org/W2158804744
  • https://openalex.org/W2160594875
  • https://openalex.org/W2161435888
  • https://openalex.org/W2163029786
  • https://openalex.org/W2171451207
  • https://openalex.org/W2179438025
  • https://openalex.org/W2231401550
  • https://openalex.org/W2318935314
  • https://openalex.org/W2327011266
  • https://openalex.org/W2338496560
  • https://openalex.org/W2400468090
  • https://openalex.org/W2409577334
  • https://openalex.org/W2468464864
  • https://openalex.org/W2563408447
  • https://openalex.org/W2587727933
  • https://openalex.org/W2593464858
  • https://openalex.org/W2604014518
  • https://openalex.org/W2769190237
  • https://openalex.org/W2790103938
  • https://openalex.org/W2790928182
  • https://openalex.org/W2792611945
  • https://openalex.org/W2802362769
  • https://openalex.org/W2804183533
  • https://openalex.org/W2806684614
  • https://openalex.org/W2809092342
  • https://openalex.org/W2884295707
  • https://openalex.org/W2950985970
  • https://openalex.org/W2951087054
  • https://openalex.org/W3023806759
  • https://openalex.org/W3100301220