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(zhǎng)的,。在一項(xiàng)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(zhǎng)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(zhǎng)出一個(gè)菌絲分支網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)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(jìn)它們的代謝，而且它們也產(chǎn)生保護(hù)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(xì)菌實(shí)際上是如何生長(zhǎng)的，卻一直是一個(gè)謎,。
相比于其他細(xì)菌物種,，鏈霉菌菌絲分支生長(zhǎng)更加類似于真菌。而且它們的細(xì)胞從末端生長(zhǎng),，而不是常見的細(xì)菌生長(zhǎng)方式：細(xì)菌在細(xì)胞中間伸長(zhǎng),，然而很少有研究小組研究過這種類型的極性生長(zhǎng)。
在此之前,，Klas Flärdh博士證實(shí)極性生長(zhǎng)依賴一種蛋白DivIVA：這種蛋白在生長(zhǎng)末端堆積并指導(dǎo)細(xì)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(xué)(Lund University)的同事們發(fā)現(xiàn)了分支位點(diǎn)是如何被選擇的和分支化(branching, 即產(chǎn)生分支)是如何啟動(dòng)的,。DivIVA積累到極點(diǎn)(focus)之中,，而分支化就是從極點(diǎn)處開始啟動(dòng)的。Antje發(fā)現(xiàn)這些DivIVA極點(diǎn)并不是自動(dòng)形成的,，而是當(dāng)生長(zhǎng)末端向外延伸時(shí),，從現(xiàn)存的極點(diǎn)上分裂下來的，并且位于細(xì)胞壁側(cè)面的后方,。隨后,，Antje與約翰英納斯中心生物學(xué)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(xué)模型。
一系列延時(shí)拍攝圖片顯示未來的分支位點(diǎn)是如何被標(biāo)記的,。一個(gè)小的子極點(diǎn)從末端極點(diǎn)上分裂下來,，且位于細(xì)胞壁側(cè)面的后方，隨后它的大小持續(xù)增加,，最終導(dǎo)致一個(gè)新的分支產(chǎn)生,。DivIVA用綠色熒光蛋白加以標(biāo)記，圖片來自(PLoS Computational Biology 8(3): e1002423)
極點(diǎn)能夠分裂并產(chǎn)生子極點(diǎn)(daughter focus),，其中子極點(diǎn)通常大約為原始極點(diǎn)大小的10%,。子極點(diǎn)的大小持續(xù)增加，直到它達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí),，它就能夠觸發(fā)鏈霉菌菌絲產(chǎn)生一個(gè)新的分支,。末端到分支的距離是由子極點(diǎn)達(dá)到臨界值時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間所決定的，而分支的數(shù)量依賴于極點(diǎn)分裂的次數(shù)。Antje在實(shí)驗(yàn)中努力測(cè)量這些因素,，從而證實(shí)了這個(gè)數(shù)學(xué)模型所預(yù)測(cè)的結(jié)果,。
這個(gè)模型也能預(yù)測(cè)罕見的事件發(fā)生，即末端極點(diǎn)分裂為兩個(gè)大小幾乎相同的子極點(diǎn),，這兩個(gè)子極點(diǎn)足夠大而能夠觸發(fā)鏈霉菌菌絲立即產(chǎn)生分支,。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員也精準(zhǔn)地觀察到這種分裂,，從而直接在生長(zhǎng)末端產(chǎn)生分支,，進(jìn)而證實(shí)該模型的預(yù)測(cè)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(xiàng)發(fā)表在PNAS期刊的新研究中,，Antje證實(shí)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(yīng)的特異性激酶,。在正常生長(zhǎng)期間,，只能觀察到低水平的DivIVA磷酸化。但是當(dāng)利用細(xì)胞壁合成抑制劑阻斷末端生長(zhǎng)時(shí),，這會(huì)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(dāng)鏈霉菌遇到生長(zhǎng)障礙時(shí),，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.
