生物谷：酶是生物體活細胞產(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都是科學家們研究的重點之一，近期在Science和Cell雜志上分別報道了兩項重要的成果,。
第一篇文章中,，來自耶魯大學,、伊利諾斯州立大學和霍華德醫(yī)學研究所的研究人員利用伊利諾斯大學研制的一種跟蹤單個RNA或DNA分子解鏈過程的技術(shù)，研究丙型肝炎病毒解鏈酶的作用,。
英文原文可參見：http://www.bioon.com/biology/Class18/306966.shtml
弄清復制的潛在機制并非易事,。結(jié)構(gòu)學研究涉及到結(jié)晶DNA－蛋白復合體，觀察它們作用的方式,；生化學家著眼于反應(yīng)的試劑,，使用的能量以及各階段的時間。這種研究同時測量成千上萬個分子的行為,，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解開雙鏈區(qū)有熒光標簽的雙鏈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，說明這種解鏈酶在感染過程中,，可能參與了解開宿主雙鏈DNA的工作,。）
隨著雙鏈分離，通過跟蹤兩個被標記的核苷之間越來越遠的距離,，研究人員能夠測量解鏈速度,。他們發(fā)現(xiàn)DNA解鏈位點是離散跳躍的：三個核苷對（堿基對）在解鏈之前彼此放松。“好像對彈簧施加張力,，”研究人員Taekjip Ha說,，“你為彈簧加上小的機械運動，直到DNA-蛋白復合體上聚集了引發(fā)三堿基對快速解鏈所需的足夠張力,。”
這種反應(yīng)是強烈的,，需要三磷酸腺苷ATP（細胞能源）。研究結(jié)果顯示每個解鏈反應(yīng)需要消耗三個ATP分子,，提示三個“隱藏步驟”每個解開一個堿基對,。
盡管一個ATP所含的能量能夠解開10個堿基對，但研究人員對這種高耗能反應(yīng)并不感到奇怪,。“復制過程中,，解鏈酶與聚合酶手挽手，因此解鏈酶一次作用于一對堿基很合理,，”研究小組帶頭人Sua Myong說，“這非常成體系,，一個堿基對移動有助于聚合酶精確拷貝基因,，每次拷貝一個堿基。”
解鏈酶也要繞過一系列障礙：與復制有關(guān)的蛋白和其它輔助因子,，這需要額外的能量,。他將NS3解鏈酶對能量的需求比作運載車的運動對能量的需求,，發(fā)展一種低耗能的發(fā)動機是有意義的，因為需要額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,。
生物體對其細胞的大小進行精確控制,，以確保子細胞獲得維持生存或特化為特定細胞所需的遺傳材料。對于酵母和細菌等單細胞生命,，營養(yǎng)的有效性（nutrient availability）是細胞大小的主要決定因素,。動物細胞的大小主要是由一種感覺血糖-依賴的激素胰島素分子控制的。第二篇文章中,，華盛頓大學生物學副教授Petra Levin與其同事最近在枯草桿菌（Bacillus subtilis）中鑒別出一種將營養(yǎng)有效性與菌體大小聯(lián)系起來的酶的三重奏,。
Levin等在B.subtilis中尋找控制細胞分裂時間和位點的因子。B.subtilis是細菌研究的一種模式系統(tǒng),。通過研究這些簡單生物調(diào)節(jié)分裂的方式,，她希望能夠更好地了解這些過程在癌細胞中出現(xiàn)差錯的原因。
Levin實驗室一開始主要關(guān)注的是一種名為FtsZ的蛋白,。FtsZ是微管蛋白的前體,，在人類細胞分裂中負責分離復制的染色體。細菌中,，F(xiàn)tsZ在預期分裂位點處形成一個環(huán),，然后募集分裂所需的所有其他成分，為整個分裂過程提供了支架,。
調(diào)節(jié)FtsZ環(huán)形成的因子決定了細胞分裂的時間和位點,。“理論上，細胞的分裂不受時間和地點的限制,，” Levin實驗室研究生Brad Weart說,，“細胞必須精確控制這個過程，以便在需要的時間和位點進行分裂,。”
Cell文章報道,，Weart等在B.subtilis中鑒別出一種將細胞分裂和細胞大小聯(lián)系起來的代謝傳感器。這種傳感器由之前被證實與細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胞分裂時發(fā)揮主要作用,，“目前，這是在細菌中鑒別出的唯一一種直接調(diào)節(jié)細胞大小的途徑,。”
一般情況下,，生長在營養(yǎng)豐富環(huán)境中的細胞的體積比生長在營養(yǎng)貧乏環(huán)境中的細胞的體積大。Levin實驗室發(fā)現(xiàn),，編碼這三種酶的基因發(fā)生突變導致細胞變小,，即便細菌生長在營養(yǎng)豐富的環(huán)境中,。“基本上，細胞無法通知分裂器暫停下來等待體積達到合適的大小,，”Levin說,，“似乎它們是生長在極為優(yōu)良的培養(yǎng)基中，只是它們不知道,。”
進一步研究發(fā)現(xiàn),，突變動搖了FtsZ環(huán)的形成。細胞中,，F(xiàn)tsZ 在未裝配狀態(tài)和裝配狀態(tài)之間存在一種平衡,。酶的三重奏通過改變這種平衡調(diào)節(jié)FtsZ環(huán)的形成——當細胞生長在營養(yǎng)豐富環(huán)境中時，推動FtsZ向未裝配狀態(tài)運動以拖延細胞的分裂,，增加細胞的體積,。
途徑中的三種酶對葡萄糖水平都很敏感，因此途徑能夠很好地將營養(yǎng)信息直接傳遞到細胞分裂器,。營養(yǎng)貧乏時,，酶不再抑制FtsZ組裝，允許FtsZ環(huán)在細胞很小的時候形成,，導致子細胞很小,。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（營養(yǎng)貧乏條件）時變得不穩(wěn)定,，形成無活性的聚合體,。
途徑中斷會導致染色體分裂出現(xiàn)缺陷,。細胞如果太小,，則不能有效將其DNA從分裂位點移開，導致子細胞經(jīng)常得不到足夠的遺傳材料,。根據(jù)生長率協(xié)調(diào)細胞大小,，細胞能夠維持DNA的正確分配,。
這項工作也是對基因組測序局限性的一個警示,。“我們越來越多，越來越頻繁低發(fā)現(xiàn)代謝酶有不止一種功能,，”Levin說,，“它們的序列沒有提示它們有其它活性，因此需要你深入研究,，應(yīng)用不同的方法對其進行鑒別,。”Levin強調(diào)，她的研究結(jié)果只揭示了細胞大小控制領(lǐng)域的冰山一角,，但鑒別ugtP等基因有助于更精確地預測一個細胞的體積,。
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.
