生物谷：酶是生物體活細(xì)胞產(chǎn)生的具有特殊催化活性和特定空間構(gòu)象的生物大分子，包括蛋白質(zhì)及核酸,，又稱為生物催化劑。這種重要的生物分子一直以來(lái)都是科學(xué)家們研究的重點(diǎn)之一,，近期在Science和Cell雜志上分別報(bào)道了兩項(xiàng)重要的成果,。
第一篇文章中，來(lái)自耶魯大學(xué),、伊利諾斯州立大學(xué)和霍華德醫(yī)學(xué)研究所的研究人員利用伊利諾斯大學(xué)研制的一種跟蹤單個(gè)RNA或DNA分子解鏈過(guò)程的技術(shù),，研究丙型肝炎病毒解鏈酶的作用。
英文原文可參見(jiàn)：http://www.bioon.com/biology/Class18/306966.shtml
弄清復(fù)制的潛在機(jī)制并非易事,。結(jié)構(gòu)學(xué)研究涉及到結(jié)晶DNA－蛋白復(fù)合體,，觀察它們作用的方式；生化學(xué)家著眼于反應(yīng)的試劑,，使用的能量以及各階段的時(shí)間,。這種研究同時(shí)測(cè)量成千上萬(wàn)個(gè)分子的行為，描述反應(yīng)的全部參與者,。
利用單分子熒光分析技術(shù),，研究小組跟蹤丙型肝炎病毒解鏈酶NS3解開(kāi)雙鏈區(qū)有熒光標(biāo)簽的雙鏈DNA分子,。（NS3解鏈酶起初與肝炎病毒單鏈RNA放松有關(guān)，但也能夠作用于DNA,，說(shuō)明這種解鏈酶在感染過(guò)程中,，可能參與了解開(kāi)宿主雙鏈DNA的工作。）
隨著雙鏈分離,，通過(guò)跟蹤兩個(gè)被標(biāo)記的核苷之間越來(lái)越遠(yuǎn)的距離,，研究人員能夠測(cè)量解鏈速度。他們發(fā)現(xiàn)DNA解鏈位點(diǎn)是離散跳躍的：三個(gè)核苷對(duì)（堿基對(duì)）在解鏈之前彼此放松,。“好像對(duì)彈簧施加張力,，”研究人員Taekjip Ha說(shuō),，“你為彈簧加上小的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，直到DNA-蛋白復(fù)合體上聚集了引發(fā)三堿基對(duì)快速解鏈所需的足夠張力,。”
這種反應(yīng)是強(qiáng)烈的，需要三磷酸腺苷ATP（細(xì)胞能源）,。研究結(jié)果顯示每個(gè)解鏈反應(yīng)需要消耗三個(gè)ATP分子,，提示三個(gè)“隱藏步驟”每個(gè)解開(kāi)一個(gè)堿基對(duì)。
盡管一個(gè)ATP所含的能量能夠解開(kāi)10個(gè)堿基對(duì),，但研究人員對(duì)這種高耗能反應(yīng)并不感到奇怪。“復(fù)制過(guò)程中,，解鏈酶與聚合酶手挽手,，因此解鏈酶一次作用于一對(duì)堿基很合理,，”研究小組帶頭人Sua Myong說(shuō),，“這非常成體系,，一個(gè)堿基對(duì)移動(dòng)有助于聚合酶精確拷貝基因,，每次拷貝一個(gè)堿基,。”
解鏈酶也要繞過(guò)一系列障礙：與復(fù)制有關(guān)的蛋白和其它輔助因子，這需要額外的能量,。他將NS3解鏈酶對(duì)能量的需求比作運(yùn)載車(chē)的運(yùn)動(dòng)對(duì)能量的需求,，發(fā)展一種低耗能的發(fā)動(dòng)機(jī)是有意義的,，因?yàn)樾枰~外的能量完成額外的工作,。
Myong注意到,NS3是病毒基因組中唯一的解鏈酶,，也屬于四大解鏈酶超家族,，因此新發(fā)現(xiàn)具有普遍意義,。
生物體對(duì)其細(xì)胞的大小進(jìn)行精確控制,，以確保子細(xì)胞獲得維持生存或特化為特定細(xì)胞所需的遺傳材料。對(duì)于酵母和細(xì)菌等單細(xì)胞生命,，營(yíng)養(yǎng)的有效性（nutrient availability）是細(xì)胞大小的主要決定因素,。動(dòng)物細(xì)胞的大小主要是由一種感覺(jué)血糖-依賴的激素胰島素分子控制的。第二篇文章中,，華盛頓大學(xué)生物學(xué)副教授Petra Levin與其同事最近在枯草桿菌（Bacillus subtilis）中鑒別出一種將營(yíng)養(yǎng)有效性與菌體大小聯(lián)系起來(lái)的酶的三重奏,。
Levin等在B.subtilis中尋找控制細(xì)胞分裂時(shí)間和位點(diǎn)的因子。B.subtilis是細(xì)菌研究的一種模式系統(tǒng),。通過(guò)研究這些簡(jiǎn)單生物調(diào)節(jié)分裂的方式,，她希望能夠更好地了解這些過(guò)程在癌細(xì)胞中出現(xiàn)差錯(cuò)的原因。
Levin實(shí)驗(yàn)室一開(kāi)始主要關(guān)注的是一種名為FtsZ的蛋白,。FtsZ是微管蛋白的前體，在人類(lèi)細(xì)胞分裂中負(fù)責(zé)分離復(fù)制的染色體,。細(xì)菌中，F(xiàn)tsZ在預(yù)期分裂位點(diǎn)處形成一個(gè)環(huán),，然后募集分裂所需的所有其他成分,，為整個(gè)分裂過(guò)程提供了支架。
調(diào)節(jié)FtsZ環(huán)形成的因子決定了細(xì)胞分裂的時(shí)間和位點(diǎn),。“理論上,，細(xì)胞的分裂不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，” Levin實(shí)驗(yàn)室研究生Brad Weart說(shuō),，“細(xì)胞必須精確控制這個(gè)過(guò)程,，以便在需要的時(shí)間和位點(diǎn)進(jìn)行分裂,。”
Cell文章報(bào)道,，Weart等在B.subtilis中鑒別出一種將細(xì)胞分裂和細(xì)胞大小聯(lián)系起來(lái)的代謝傳感器,。這種傳感器由之前被證實(shí)與細(xì)胞膜中一種修飾成分的合成有關(guān)的三酶途徑組成。研究結(jié)果提示這種途徑在細(xì)胞分裂時(shí)發(fā)揮主要作用，“目前,，這是在細(xì)菌中鑒別出的唯一一種直接調(diào)節(jié)細(xì)胞大小的途徑,。”
一般情況下,，生長(zhǎng)在營(yíng)養(yǎng)豐富環(huán)境中的細(xì)胞的體積比生長(zhǎng)在營(yíng)養(yǎng)貧乏環(huán)境中的細(xì)胞的體積大,。Levin實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn),，編碼這三種酶的基因發(fā)生突變導(dǎo)致細(xì)胞變小,，即便細(xì)菌生長(zhǎng)在營(yíng)養(yǎng)豐富的環(huán)境中,。“基本上，細(xì)胞無(wú)法通知分裂器暫停下來(lái)等待體積達(dá)到合適的大小,，”Levin說(shuō)，“似乎它們是生長(zhǎng)在極為優(yōu)良的培養(yǎng)基中,，只是它們不知道,。”
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，突變動(dòng)搖了FtsZ環(huán)的形成,。細(xì)胞中,，F(xiàn)tsZ 在未裝配狀態(tài)和裝配狀態(tài)之間存在一種平衡,。酶的三重奏通過(guò)改變這種平衡調(diào)節(jié)FtsZ環(huán)的形成——當(dāng)細(xì)胞生長(zhǎng)在營(yíng)養(yǎng)豐富環(huán)境中時(shí)，推動(dòng)FtsZ向未裝配狀態(tài)運(yùn)動(dòng)以拖延細(xì)胞的分裂,，增加細(xì)胞的體積,。
途徑中的三種酶對(duì)葡萄糖水平都很敏感，因此途徑能夠很好地將營(yíng)養(yǎng)信息直接傳遞到細(xì)胞分裂器。營(yíng)養(yǎng)貧乏時(shí),，酶不再抑制FtsZ組裝,，允許FtsZ環(huán)在細(xì)胞很小的時(shí)候形成,，導(dǎo)致子細(xì)胞很小。途徑中的第三種酶UgtP,，與FtsZ相互作用，防止環(huán)形成,。UgtP在低水平葡萄糖（營(yíng)養(yǎng)貧乏條件）時(shí)變得不穩(wěn)定，形成無(wú)活性的聚合體,。
途徑中斷會(huì)導(dǎo)致染色體分裂出現(xiàn)缺陷,。細(xì)胞如果太小,，則不能有效將其DNA從分裂位點(diǎn)移開(kāi),，導(dǎo)致子細(xì)胞經(jīng)常得不到足夠的遺傳材料。根據(jù)生長(zhǎng)率協(xié)調(diào)細(xì)胞大小,，細(xì)胞能夠維持DNA的正確分配,。
這項(xiàng)工作也是對(duì)基因組測(cè)序局限性的一個(gè)警示,。“我們?cè)絹?lái)越多，越來(lái)越頻繁低發(fā)現(xiàn)代謝酶有不止一種功能，”Levin說(shuō),，“它們的序列沒(méi)有提示它們有其它活性，因此需要你深入研究,，應(yīng)用不同的方法對(duì)其進(jìn)行鑒別。”Levin強(qiáng)調(diào),，她的研究結(jié)果只揭示了細(xì)胞大小控制領(lǐng)域的冰山一角，但鑒別ugtP等基因有助于更精確地預(yù)測(cè)一個(gè)細(xì)胞的體積,。
原始出處：
Cell, Vol 130, 335-347, 27 July 2007
Article
A Metabolic Sensor Governing Cell Size in Bacteria
Richard B. Weart,1 Amy H. Lee,1 An-Chun Chien,1 Daniel P. Haeusser,1 Norbert S. Hill,1 and Petra Anne Levin1,
1 Department of Biology, Washington University, St. Louis, MO 63130, USA
Corresponding author
Petra Anne Levin
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Summary
Nutrient availability is one of the strongest determinants of cell size. When grown in rich media, single-celled organisms such as yeast and bacteria can be up to twice the size of their slow-growing counterparts. The ability to modulate size in a nutrient-dependent manner requires cells to: (1) detect when they have reached the appropriate mass for a given growth rate and (2) transmit this information to the division apparatus. We report the identification of a metabolic sensor that couples nutritional availability to division in Bacillus subtilis. A key component of this sensor is an effector, UgtP, which localizes to the division site in a nutrient-dependent manner and inhibits assembly of the tubulin-like cell division protein FtsZ. This sensor serves to maintain a constant ratio of FtsZ rings to cell length regardless of growth rate and ensures that cells reach the appropriate mass and complete chromosome segregation prior to cytokinesis.
