【前沿】细菌内部通过分工合作“执行特定生物学功能”

2018-09-11来源:植物保护学院作者:钱国良

细菌是一种单细胞生物,不能像高等生物一样利用成熟的器官去感知周围快速变化的环境。那么细菌怎么办?在长期的进化过程中,细菌能合成多种类型的小分子化学信号,有的能泌出到细胞外,有的只能在细胞内存在。细菌利用这些小分子化学信号来动态调控自身基因的表达,使之能快速适应周围环境变化。环二鸟苷酸(c-di-GMP)就是这样一种只存在于细菌胞内的小分子化学信号。c-di-GMP在细菌体内由鸟苷酸环化酶合成,能够被磷酸二酯酶降解,且这两种酶在不同细菌中通常有数十个甚至上百个不等,但从生物化学角度看,它们作为酶的功能是类似的。那么问题是细菌为什么需要这么多功能类似的酶去合成或降解同一种信号分子c-di-GMP呢?进一步研究发现,虽然这些c-di-GMP的代谢酶在生物化学方面的功能是相似的,但它们执行的生物学功能存在差异,表明细菌会合理区分、选择性地利用某个c-di-GMP代谢酶去控制特定的生物学功能。问题是作为单细胞的生物,细菌是靠什么方式来完成这些人类看似“轻而易举”就能完成的工作分工呢?

2018年9月7日,南京农业大学植保学院钱国良教授团队与江苏省农业科学院刘凤权研究员实验室合作在国际著名学术期刊Nucleic Acids Research(IF 11.561)在线发表了题为“Signaling specificity in the c-di-GMP-dependent network regulating antibiotic synthesis in Lysobacter”的研究论文。南京农业大学植保学院博士生徐高歌(现为农科院助理研究员)为论文的第一作者,南京农业大学为第一通讯单位,钱国良教授为第一通讯作者,刘凤权研究员为论文的共同通讯作者。美国怀俄明大学Mark Gomelsky教授和台湾中兴大学Shan-HoChou教授也参与了部分研究工作。

在该项研究中,研究人员选择了一种环境友好且能防治植物真菌病害的细菌---产酶溶杆菌OH11为研究系统。这种细菌能合成并外泌的一种叫做HSAF的抗真菌活性物质来抑制植物病原真菌的生长。研究人员着重研究这个叫做OH11的细菌中哪个(些)c-di-GMP降解酶能控制HSAF的合成。通过筛选,他们从OH11体内鉴定出2个参与调控HSAF合成的c-di-GMP降解酶(LchP和RpfG),同时也发现了一个特异性结合c-di-GMP的蛋白,称为Clp。Clp能“抓做“HSAF合成基因簇的特定位置(称为启动子区)。通过这种“抓做”的行为,Clp就能激活HSAF合成基因的表达,促进HSAF的合成。但如果Clp被c-di-GMP粘作(结合),就会破坏它“抓做”HSAF启动子的能力,结果就会让HSAF的合成能力下降。那么细菌是如何平衡胞内c-di-GMP的浓度,在它需要HSAF时创造一个胞内c-di-GMP含量低的环境呢?研究人员发现,产酶溶杆菌很“聪明”,当它需要HSAF时,它利用Clp去“粘做”(结合)LchP(c-d-GMP的降解酶),这时LchP降解c-di-GMP的能力显著提升,从而原来结合在Clp“身上“的c-di-GMP就会被降解,这个时候Clp就很“轻松”地“抓做“HSAF的启动子区来促进HSAF的合成。有趣的是,Clp不是一个“随便的人”,因为同样具有c-di-GMP降解功能并且控制HSAF合成的RpfG则不能和Clp结合,说明Clp非常“专一”地依靠LchP来解除其身上的c-di-GMP这个“累赘”,从而“轻松上阵”,指导HSAF的合成。因此,该研究报道了细菌可以依赖体内某个特定的c-di-GMP降解酶与其受体蛋白相互作用来指导c-di-GMP对指定功能(比如HSAF)的调控。这种工作方式类似工厂负责人(细菌)从100个工人(细菌体内生化功能类似的c-di-GMP代谢酶)中针对性地指派了1位工人(LchP),通过这个工人与加工商(Clp)沟通(LchP-Clp相互作用),指定他生产的产品(c-di-GMP),用于加工成某种特定的商品(调控HSAF合成)。

LchP介导的c-di-GMP信号通路调控HSAF生物合成的工作模型

在农业生产上,HSAF具有广谱抗植物病原真菌活性,该研究也为通过遗传改良或代谢优化c-di-GMP信号途径来提升HSAF产量,开发基于HSAF的生物农药提供了新思路和途径。该项研究得到国家自然科学基金、973计划、国家留学基金委、南京农业大学重点外专项目、南京农业大学博士生短期留学等项目的支持。

原文链接:https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gky803/5091963


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