eLife：“不公平”的細胞分裂
日期：2014-01-07 09:36:29
在基因完全相同的細菌群體中，一些成員的行為可能大相徑庭。這一現象對于細菌的生存非常重要。細菌群體越多樣化，就越有可能出現占據生存優勢的個體，這些個體可以幫助種群克服艱難的環境條件（如抗生素）。
華盛頓大學的研究人員發現，在細菌細胞分裂成為兩個子細胞時，細胞內容物的分配并不平均，結果使兩個子細胞產生差異。
“這是細菌群體的一條多樣化途徑。雖然我們是在細菌中發現這一機制的，但它也可能適用于所有細胞，包括人類細胞，”文章的資深作者，華盛頓大學的Dr. Samuel Miller教授說。這項研究發表在eLife雜志上，第一作者是Bridget Kulasekara博士。
Miller及其同事曾于2010年在Science雜志上發表文章指出，當細菌分裂時，一種重要的調控分子（c-di-GMP）并沒有平均分配給子細胞。c-di-GMP是一種第二信使，第二信使負責將細胞膜受體的信號，傳遞給細胞內的靶點。這一機制能夠快速改變多種細胞功能，包括細胞代謝和遷移。
對于細菌來說，快速應答外部刺激非常重要。為了生存，細菌要能迅速沖向營養源，或者避開毒素。人們將微生物的這種定向運動稱為趨化作用。
“第二信使幾乎是立刻產生影響，”Miller說。“它們允許細菌在數秒內改變行為。”
研究人員使用FRET顯微技術，檢測了細胞間的c-di-GMP水平差異。這一技術允許他們監測，單個細菌中c-di-GMP濃度的微小改變。
不同的c-di-GMP濃度會對細胞行為產生深遠影響。舉例來說，在綠膿桿菌中（Pseudomonas aeruginosa），c-di-GMP水平高的細胞傾向于靜止不動，在表面附著并形成克隆。而c-di-GMP水平低的細胞，傾向于活躍游動，借助細菌一端的螺旋槳結構。
Miller及其同事在這項新研究中，解析了造成兩個子細胞c-di-GMP濃度差異的分子機制。研究顯示，當綠膿桿菌分裂形成兩個子細胞時，盡管子細胞的基因完全相同，但只有一個子細胞能夠遺傳到母細胞的螺旋槳結構。另一個子細胞需要自己合成螺旋槳結構。
研究人員發現，遺傳到螺旋槳結構的子細胞，也同時獲得了與該結構密切相關的酶，這種酶可降解c-di-GMP。此外，這個子細胞還遺傳到了，母細胞中與細菌定向運動有關的裝置。研究指出，子細胞遺傳到的物質共同起作用，減少了c-di-GMP的濃度，并由此對細菌的活動施加影響。
“我們發現，細胞分裂時的不均勻分配，能幫助細胞實現多樣化，從而提高種屬的生存幾率，” Miller說。
研究人員指出，這一發現有助于人們理解，為何細菌種群中總有一些細胞處于緩慢生長的休眠狀態。由于抗生素主要靶標快速生長的細胞，這些休眠細胞更容易存活下來，發展出耐藥性。此外，這一研究還能幫助人們理解，一些細菌為何能夠附著在表面上形成克隆，例如導尿管、靜脈輸液管和心臟瓣膜中。
目前，研究團隊正在尋找能快速改變第二信使濃度的信號。他們希望能夠篩選化合物對這些信號進行干擾，并在此基礎上解決細菌的耐藥性，或者抑制細菌形成粘性克隆的能力。
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