合成生物催化剂摘译自:https://doi.org/10.1073/pnas.2110342119

     为了适应不同的环境,细菌需要根据生长和生存需求的优先级去分配有限的细胞资源。鞭毛是细菌重要的运动器官,能推动细菌细胞寻找更适宜生存的环境,然而鞭毛运动会占用有限的细胞资源。

鞭毛相关的运动蛋白合成会占用相当的蛋白质合成资源,鞭毛的运转也需要能量。运动性弱化的细胞相比未弱化的细胞在营养充足的情况下生长速度快20%,最大生物量高10%。

     早先的研究发现运动基因的表达与细胞所处环境的营养丰富程度关系密切。在营养匮乏的条件下,运动相关蛋白的合成会占用更高比例的细胞资源,说明运动是与细胞饥饿相关、寻找更优生长环境的一种反应。但是平衡生长期间观察到了细菌游泳速度与生长速度或环境中的碳源种类关系不大,这说明运动并非只是为了觅食。那么为什么运动基因在较差的生长条件下表达更高,运动基因的表达程度如何影响游泳?

    近日,来自加州大学圣地亚哥分校的Terence Hwa团队在《PNAS》上发表研究“Coordination of gene expression with cell size enables Escherichia coli to efficiently maintain motility across conditions”。系统的研究了基因表达与不同生长状态下大肠杆菌K-12游动情况的联系。发现运动基因的表达与细胞大小之间是互相协调的,使得大肠杆菌K-12的运动能力保持在了相对稳定的状态。

研究敲除了大肠杆菌鞭毛主要的调控因子flhD基因,发现敲除flhD后,运动基因表达被完全抑制。在营养较为富裕的环境中,敲除了flhD的菌株生长速率相比野生型提高了18%。随后研究分析了平均游泳速度>5um/s的运动状态的细胞的比例,发现尽管运动相关基因表达被抑制,但是运动状态的细胞占细胞总数的比例是相对是固定的,都保持在了90%左右。在大肠杆菌生长迅速和缓慢的培养基中,运动细胞的比例和运动速度均只变化了1.3倍。另外,鞭毛旋转频率与生长几乎无关。(用能附着在鞭毛上的珠子来测定旋转速度)。

研究将flhD基因置于四环素启动子调控下,发现在大肠杆菌生长较为缓慢的培养基中(天冬氨酸作为营养物质)运动基因表达的上调对于维持种群中运动状态的细胞的比例是必要的,但运动基因表达上调并不能增加运动细胞的游泳速度。

     总的来说,研究发现不同生长状态下大肠杆菌通过调整基因表达强度保障了每个细胞的鞭毛数量在整个生长曲线的各个时期保持不变(在生长速率偏低、营养匮乏的情况下上调运动基因表达获得更多资源,在生长速率快、营养丰富的情况下下调运动基因表达节省细胞资源用于生长),这一策略在保障了大肠杆菌细胞种群中运动细胞比例相对恒定的前提下将合成和使用鞭毛对资源的消耗降至最低。但是这类动态调节是如何实现的,至今依然没有一个明确的解释。转录和转录后调控起到了综合调节细胞内鞭毛主要调节因子flhD/C的丰度的作用,然而具体的作用机理仍然未知。大肠杆菌关于运动能力的调节也从侧面说明了细胞越大能承载的蛋白质越多相对来说细胞内的蛋白质资源就越丰富。

 

(徐毅诚 摘译)

 

 


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