新发现细菌生物被膜下存在植物和动物中才

撰文

Qi

多细胞生物在其发育过程中表现出复杂的细胞类型模式，比如说细胞自主振荡驱动的脊椎动物体节发生。随着生物体的生长，这些振荡在原处“冻结”并产生细胞分化的空间重复模式，通过这种方式，时间振荡被转换为空间重复模式，这种机制被称为“分段时钟（segmentationclock）”或时钟和波前模型，而这种模式机制可以产生决定体节边界的重复结构。迄今为止，这种类型的机制仅在脊椎动物、节肢动物和植物中观察到，因此人们认为这种复杂机制不存在于简单的细菌系统中。

细菌生物被膜（biofilm）包裹在细胞外基质中的大型细胞群落，其中包含处于不同生理和形态状态的细胞，包括孢子。人们通常认为生物膜中细胞类型的空间组织遵循单调梯度，例如营养或氧气可用性，也就是说靠近生物被膜更容易获得氮源。由于氮限制可以触发孢子形成，被膜内孢子的空间分布可以预期反映这种单调的营养梯度，所以孢子主要位于中心位置。然而，细菌可以通过诱导特定基因的表达来减轻压力来应对营养胁迫，养分梯度与细胞状态分布之间的关系可能并不简单。因此，尚不清楚生物膜中的细菌活动是否可以产生更复杂的细胞命运空间分布。

年1月6日，来自美国加州大学圣地亚哥分校的GürolM.Süel团队在Cell杂志上发表了一篇题为Asegmentationclockpatternscellulardifferentiationinabacterialbiofilm的文章，该研究报道了枯草芽孢杆菌菌落发育过程中被膜下存在时钟和波前机制，引起孢子形成在空间和时间上的分割模式，细菌生物膜可以利用这种类似于脊椎动物体节发生的机制来组织膜内的细胞类型。总之，这项研究指出时钟和波前机制并非脊椎动物和植物系统独有，在简单的细菌系统中也存在类似的发育模式。

作者首先测量枯草芽孢杆菌对氮应激反应的空间分布，以确定它是否真的只是线性单调的营养梯度。为此，作者在琼脂垫表面接种菌落，使用延时成像监测了含YFP的nasA基因（编码硝酸盐转运蛋白，当氮受限时该转运蛋白上调）启动子活性，与先前预期不一致，nasA的表达模式并不遵循单调曲线，而是在大约20小时的生长后出现的生物膜内表现出环状模式，而对照组只表现出简单的空间分布（图1）。

图1.被膜下的枯草芽孢杆菌在氮应激反应下表现出环状分布模式

接下来，作者试图确定导致上述环状基因表达模式的机制。时钟和波前机制由两个必要组件组成，一个是细胞自主振荡器（如下图左2B所示氮应激反应负反馈回路），二是波前允许细胞的状态在振荡的特定阶段“冻结”，而这两个特征可以在不断向外生长的生物膜中找到，时钟和波前模型可能可以解释观察到的在生物膜发育过程中形成的空间环状图案。如果负反馈在生物膜发育的时间范围内在多个周期内振荡，则时钟和波前机制可以将振荡转化为多个同心环，类似于脊椎动物的节段。在这项研究中，作者通过改变氮源浓度来加快振荡周期，发现能够产生nasA表达的多个时空振荡，从而产生同心环的空间模式（图2），更有力地支持细菌系统中存在时钟和波前模型。

图2.细菌生物膜可以产生多个同心环的氮应激反应（负反馈回路图B：谷氨酰胺与谷氨酰胺合成酶形成FBI-GS复合物抑制转录调节因子TnrA的活性，调节与氮胁迫相关的各种下游基因；TnrA可以抑制编码消耗谷氨酰胺的谷氨酰胺酮戊二酸氨基转移酶-GOGAT的操纵子gltAB；一旦谷氨酰胺再次变得丰富，就会重新建立通过FBI-GS对TnrA的抑制作用）

为了进一步验证发现的时钟和波前模型，作者测试了负反馈回路组件的作用，比如说构建破坏TnrA的FBI-GS结合位点的突变体，以及敲除gltAB等，这些操作均导致nasA的低表达和多环模式的破坏，因此强调了负反馈回路组件在模型中的关键作用。此外，既然细菌系统中存在这样的时钟和波前机制，那么这种多环模式出自于细胞自主振荡而非信号分子的长距离扩散，作者通过在生物膜产生第一个nasA环之后，插入物理屏障阻止化学物质扩散后，生物膜仍继续在外围生长，并形成第二个同心环，进一步证明多环模式由细胞自主振荡驱动。

氮胁迫会触发枯草芽孢杆菌中的孢子形成，有趣的是，作者发现在nasA表达的每个峰值之后，细胞表达spoIIR，其中一部分形成孢子，剩余部分继续在nasA表达种振荡，作者观察到在第一次nasA峰后未形成孢子的细胞在下一波峰后形成孢子，表明氮胁迫响应的振荡可以在生物膜中形成孢子形成的空间模式。PnasA-cfp、PspoIIR-yfp双报告菌株显示孢子形成以类似于氮胁迫响应模式的环状模式发生，相对于氮胁迫反应，孢子形成“段”出现时间延迟，nasA和spoIIR环没有完全重叠。这些数据表明氮应激反应和孢子形成的时空并发，孢子形成是由时钟和波前机制形成的。

总的来说，这项研究表明细菌生物膜群落的发育受时钟和波前机制控制，生物膜利用这种机制，局部放大氮胁迫反应，这样即使在靠近生物膜边缘的更丰富的营养供应下也可能形成孢子，也就是说孢子不仅限于在生物膜的饥饿内部形成，而可以在不同时间和不同位置形成孢子，而不受养分可用性的严格限制。因此，这项研究提示人们需要重新思考“简单”的单细胞生物和“复杂”的多细胞生物之间先前所定义的界限划分。

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