カウロバクター・クレセンタス
この細菌種で見られる細胞周期調節システムは、細胞の成長と生殖の進行を組織化する多くのサブシステムをモジュラー制御している。生化学的および遺伝的論理回路を使用して構築されたこの制御システムにおいて、いくつかのサブシステムが存在し、それぞれの開始のタイミングが制御されている。細胞周期調節の特徴は、周期的な遺伝子回路(細胞周期エンジン)であり、5つのマスター調節タンパク質(DnaA、GcrA、CtrA、SciP、およびCcrM)が連続的に相互作用することが、ルーシー・シャピロとハーレー・マカダムスによって明らかにされている。これらの5つのタンパク質は、200を超える遺伝子の発現のタイミングを直接制御している。5つのマスター調節タンパク質は、細胞周期の過程で次々と合成され、そして分解される。この細胞周期エンジンが適切に機能するためには、いくつかの追加の細胞シグナル伝達経路も不可欠である。これらのシグナル伝達経路の主な役割は、細胞周期の適切な時期に細胞からCtrAタンパク質を確実に産生および排除することである。
カウロバクター細胞周期の本質的な特徴は、染色体が細胞周期ごとに一度だけ複製されることである。
これは、例えば大腸菌の細胞周期で見られるように、染色体の複製(子に当たる染色体の合成)が進行中にさらに複製された染色体の複製(孫に当たる染色体の合成)が行われるような可能性があることと対照的である。DnaAとCtrAタンパク質の反対の役割は、カウロバクター染色体の複製の厳密な制御に不可欠である。DnaAタンパク質は複製起点で作用し、染色体の複製を開始する。対照的に、CtrAタンパク質は複製の開始をブロックするように作用するため、染色体複製を開始する前に細胞から除去される。他にも、リン酸化シグナル伝達経路やタンパク質分解制御など、いくつかの細胞周期の調節に不可欠な複数の調節経路の存在が知られており、これらはDnaAとCtrAが必要なときに細胞内に存在することを正確に保証するように機能する。
細胞周期エンジンのタンパク質によって活性化される各プロセスには、多くの反応のカスケードが含まれる。最も長いサブシステムカスケードはDNA複製である。培養条件にもよるが、カウロバクター細胞では、染色体の複製には各染色体あたり40〜80分かかり、この間に約200万回のDNA合成反応(塩基対の伸長反応)を行う。
カウロバクター細胞周期の進行を指示しペース調整をする制御回路は、細胞全体に統合システムとして組み込まれている。制御回路は、細胞周期サブシステムの活性化とカウロバクター・クレセンタスの非対称細胞分裂を調整するため、細胞トポロジーを含む細胞の環境と内部状態を監視する。カウロバクター細胞周期制御システムのタンパク質とその内部組織は、多くのアルファプロテオバクテリア種間で高度に保存されている、種ごとに制御機能や他細胞のシステムへの末梢接続性に大きな違いがみられる。カウロバクター細胞周期制御システムは、内部の確率論的ノイズと環境の不確実性を克服するように強固な制御を行うトータルシステムとして、進化的選択によって絶妙に最適化されている。
この細菌細胞の制御システムは、階層的に組織されている。シグナル伝達および制御サブシステムは、主に細胞表面に配置された感覚モジュールによって外部環境と接続される。遺伝子ネットワークロジックは、環境および内部のセルステータスセンサーから受信した信号に応答して、細胞を現在の状態に適応させる。トップレベルの制御の主な機能は、細胞周期に関連する操作が適切な時間的順序で発生することを保証することである。カウロバクターでは、これは5つのマスターレギュレーターと関連するリン酸化シグナル伝達ネットワークで構成される遺伝子調節回路によって達成される。リン酸化シグナル伝達ネットワークは、細胞周期の進行状態を監視し、非対称細胞分裂を達成する上で重要な役割を果たす。細胞周期制御システムは、染色体複製と細胞質分裂の開始の時間と場所、および極性細胞小器官の発達を管理する。