上海 2012年8月10日 訊 /生物谷BIOON/ --鏈霉菌產(chǎn)生大多數(shù)臨床上有用的抗生素,，然而迄今為止,，我們?nèi)匀贿€沒有完全理解它們是如何生長的,。在一項新研究中,，博士研究生Antje Hempel通過解決出這種鏈霉菌菌絲如何和為何產(chǎn)生分支而加深我們理解它們的生長方式,。
鏈霉菌通常都生活土壤中,，依靠分解植物物質(zhì)而生存,，而且它們是通過長出一個菌絲分支網(wǎng)絡來實現(xiàn)這點的,。它們產(chǎn)生大量不同的酶從而能夠利用不同的物質(zhì)來源來促進它們的代謝，而且它們也產(chǎn)生保護性化合物。這些化合物因能夠被用作抗生素和其他藥物而得到很好的研究,，但是這種細菌實際上是如何生長的,，卻一直是一個謎。
相比于其他細菌物種,，鏈霉菌菌絲分支生長更加類似于真菌,。而且它們的細胞從末端生長，而不是常見的細菌生長方式：細菌在細胞中間伸長,，然而很少有研究小組研究過這種類型的極性生長,。
在此之前，Klas Flärdh博士證實極性生長依賴一種蛋白DivIVA：這種蛋白在生長末端堆積并指導細胞壁合成,。根據(jù)一篇發(fā)表在PLoS Computational Biology期刊上的論文,，Antje和來自英國約翰英納斯中心(John Innes Centre)和瑞典隆德大學(Lund University)的同事們發(fā)現(xiàn)了分支位點是如何被選擇的和分支化(branching, 即產(chǎn)生分支)是如何啟動的。DivIVA積累到極點(focus)之中,，而分支化就是從極點處開始啟動的,。Antje發(fā)現(xiàn)這些DivIVA極點并不是自動形成的，而是當生長末端向外延伸時,，從現(xiàn)存的極點上分裂下來的,，并且位于細胞壁側(cè)面的后方。隨后,，Antje與約翰英納斯中心生物學者David Richards和Martin Howard合作而構(gòu)建出這種系統(tǒng)如何工作的數(shù)學模型,。
一系列延時拍攝圖片顯示未來的分支位點是如何被標記的。一個小的子極點從末端極點上分裂下來,，且位于細胞壁側(cè)面的后方,，隨后它的大小持續(xù)增加，最終導致一個新的分支產(chǎn)生,。DivIVA用綠色熒光蛋白加以標記,，圖片來自(PLoS Computational Biology 8(3): e1002423)
極點能夠分裂并產(chǎn)生子極點(daughter focus)，其中子極點通常大約為原始極點大小的10%,。子極點的大小持續(xù)增加,，直到它達到一個臨界值時，它就能夠觸發(fā)鏈霉菌菌絲產(chǎn)生一個新的分支,。末端到分支的距離是由子極點達到臨界值時所花費的時間所決定的,，而分支的數(shù)量依賴于極點分裂的次數(shù)。Antje在實驗中努力測量這些因素,，從而證實了這個數(shù)學模型所預測的結(jié)果,。
這個模型也能預測罕見的事件發(fā)生，即末端極點分裂為兩個大小幾乎相同的子極點,，這兩個子極點足夠大而能夠觸發(fā)鏈霉菌菌絲立即產(chǎn)生分支,。在實驗中,，研究人員也精準地觀察到這種分裂，從而直接在生長末端產(chǎn)生分支,，進而證實該模型的預測結(jié)果,。
這種模型也解釋了新的分支如何產(chǎn)生，但是它也讓人們產(chǎn)生疑問：鏈霉菌是否能夠控制它的分支化,，如果能,，又是如何控制的。
如今,，在一項發(fā)表在PNAS期刊的新研究中,，Antje證實這種分支化過程是如何受到調(diào)節(jié)的。她發(fā)現(xiàn)DivIVA是由磷酸化控制的,，并鑒定出相應的特異性激酶,。在正常生長期間，只能觀察到低水平的DivIVA磷酸化,。但是當利用細胞壁合成抑制劑阻斷末端生長時,，這會觸發(fā)DivIVA磷酸化，從而改變鏈霉菌菌絲分支產(chǎn)生模式,。這些發(fā)現(xiàn)提示著,，當鏈霉菌遇到生長障礙時，它就重新安排它的菌絲分支產(chǎn)生模式,。(生物谷：Bioon.com)
本文編譯自Bacteria branch out
doi: 10.1371/journal.pcbi.1002423
PMC:
PMID:
Mechanistic basis of branch-site selection in filamentous bacteria
David M. Richards1#, Antje M. Hempel1,2#, Klas Flärdh2*, Mark J. Buttner1, Martin Howard
Many filamentous organisms, such as fungi, grow by tip-extension and by forming new branches behind the tips. A similar growth mode occurs in filamentous bacteria, including the genus Streptomyces, although here our mechanistic understanding has been very limited. The Streptomyces protein DivIVA is a critical determinant of hyphal growth and localizes in foci at hyphal tips and sites of future branch development. However, how such foci form was previously unknown. Here, we show experimentally that DivIVA focus-formation involves a novel mechanism in which new DivIVA foci break off from existing tip-foci, bypassing the need for initial nucleation or de novo branch-site selection. We develop a mathematical model for DivIVA-dependent growth and branching, involving DivIVA focus-formation by tip-focus splitting, focus growth, and the initiation of new branches at a critical focus size. We quantitatively fit our model to the experimentally-measured tip-to-branch and branch-to-branch length distributions. The model predicts a particular bimodal tip-to-branch distribution results from tip-focus splitting, a prediction we confirm experimentally. Our work provides mechanistic understanding of a novel mode of hyphal growth regulation that may be widely employed.
