Friedman N, Vardi S, Ronen M, Alon U, Stavans J.
PLoS Biol. 2005 Jul;3(7):e238.
doi: 10.1371/journal.pbio.0030238. Epub 2005 Jun 21. PMID: 15954802; PMCID: PMC1151601.
SOS遺伝子ネットワークは、細菌細胞のDNA損傷の修復を担っている。大腸菌のSOS遺伝子ネットワークには、30以上の遺伝子が関与しており、nucleotide excision repair, translesion DNA replication, homologous recombination, cell division arrestなど、DNA損傷に応じた多様な機能を果たしている。ネットワークのさまざまな構成要素やそれらの間の相互作用については、生化学的、遺伝学的、構造学的に膨大なデータが得られている。このネットワークは，自分自身と他のSOS遺伝子の発現をダウンレギュレートするLexAリプレッサーによって制御されている。DNA損傷後、RecA核タンパク質フィラメントは、停止した複製フォーク付近の一本鎖DNAに沿って形成される。このRecAフィラメントは、LexAリプレッサーの自己切断を促進し、SOS応答の誘導につながる。SOS応答の初期段階についてはよく知られているが、応答中のイベントの時間的な調整とその停止についてはよくわかっていない。
これまでの実験では、DNAマイクロアレイ解析やプロモーター活性解析、集団レベルでの反応のダイナミクスを調べた。これらの研究から、紫外線を照射してSOS遺伝子を誘導すると、SOS遺伝子の転写産物とプロモーター活性のレベルがそれぞれ上昇することがわかった。その後、DNA損傷が修復されてシステムが停止すると、これらの遺伝子の活性化が減少することがわかった。このような単一ピークの応答は、LexAによる転写の抑制が唯一の制御機構であるというネットワークの単純なモデルから予想される。
細胞集団を対象にした測定では、非均質な集団や非同期的な応答の場合、ネットワークの応答を正確に把握するには限界があるかもしれない。ネットワークの応答を完全に理解し，計算モデルを用いてそれを理解するには，個々の細胞におけるダイナミクスに関する実験的知識が必要である。本研究では，プロモーター活性のレポーターとして緑色蛍光タンパク質を用いて，個々の生細胞におけるSOS応答のダイナミクスを高時間分解能で調べた。その結果、細胞集団の研究ではわからなかった、個々のSOS応答遺伝子のプロモーター活性ピークの時間的パターンを発見した。ダメージレベルが高くなるにつれて、ピークの数は増加し、振幅は飽和状態に達することがわかった。ピークのタイミングは、細胞ごとに非常に正確であり、損傷時の細胞周期のステージには依存しない。このようなプロモーター活性のパターンとその時間的な正確さの維持には、umuDCオペロンが関与していることが示されている。これまでに提案されているように、SOS応答の間に時限的な休止をもたらすためにUmuDの切断が果たす役割のさらなる証拠となる。我々が観測したプロモーター活性の変化は、哺乳類のDNA損傷反応で最近観測された振動的な挙動と多くの共通点がある。今回の結果は、これまで知られていなかったSOS応答の変調を明らかにしたものであり、自然の遺伝的ネットワークがシステムレベルでどのように機能しているかを解明するためには、個々の生きた細胞のレベルで動的な測定を行うことが重要であることを示している。
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