基于PDB代碼文件1jce構(gòu)建原核生物蛋白MreB的結(jié)構(gòu)圖，圖片來自維基共享資源,。
九重冰(Ice-9)是一種出現(xiàn)在美國著名反戰(zhàn)小說大師庫爾特-馮內(nèi)古特(Kurt Vonnegut)撰寫的小說《貓的搖籃》(Cat's Cradle)中的虛構(gòu)物質(zhì),。它應(yīng)當(dāng)是比常見的冰更為穩(wěn)定的一種水的形態(tài)，在45.8 °C時(shí)融化,。當(dāng)與低于45.8 °C的液態(tài)水接觸時(shí),，它作為晶種(seed crystal)發(fā)揮作用，導(dǎo)致整個(gè)水體像Ice-9那樣快速結(jié)晶,。在馮內(nèi)古特的這篇小說里,，只需用Ice-9接觸一下就可使地球上的海洋發(fā)生凝固從而造成一場全球性的災(zāi)難?；诖?，Ice-9很吸引人。根據(jù)來自哈佛大學(xué)和普林斯頓大學(xué)的研究人員最近發(fā)表的一篇論文,，細(xì)菌細(xì)胞壁中的一個(gè)組分MreB也有類似于Ice-9的作用機(jī)制,。
在這項(xiàng)研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌細(xì)胞壁中的這個(gè)組分對細(xì)胞的最終形狀有著巨大的影響,。想象一下“MreB細(xì)胞骨架(MreB cytoskeleton)”是世界上最微小的指揮家,，指揮著上千名音樂家(即細(xì)菌)演奏交響曲。更加吸引人的是,，細(xì)菌的一種“左手”手性分子框架("left handed" molecular framework)產(chǎn)生一種“右手”手性分子結(jié)構(gòu),。
細(xì)胞骨架(cytoskeleton)是真核細(xì)胞中由蛋白質(zhì)聚合而成的三維的纖維狀網(wǎng)架體系。細(xì)胞骨架包括微絲(也稱作肌動(dòng)蛋白微絲),、微管和中間纖維,。細(xì)胞骨架在細(xì)胞分裂、細(xì)胞生長,、細(xì)胞物質(zhì)運(yùn)輸,、細(xì)胞壁合成等等許多生命活動(dòng)中都具有非常重要的作用。
調(diào)節(jié)細(xì)胞形狀是生物界中所有生物面臨的一種共同的挑戰(zhàn),。在幾乎所有的細(xì)菌中,，細(xì)胞形狀是由細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)決定的。
MreB是在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的,，是肌動(dòng)蛋白的同源物,，與肌動(dòng)蛋白存在三維結(jié)構(gòu)相似性和保守的活性位點(diǎn)肽序列。這種蛋白結(jié)構(gòu)保守提示著真核生物中發(fā)現(xiàn)的肌動(dòng)蛋白形成的細(xì)胞骨架元件和原核生物中發(fā)現(xiàn)的MreB形成的細(xì)胞骨架元件有著共同的祖先,。已有研究發(fā)現(xiàn)MreB蛋白聚合形成類似于肌動(dòng)蛋白微絲(actin microfilament)的纖維,。
原核生物中類肌動(dòng)蛋白(actin-like protein)，如MreB,，參與細(xì)胞形狀的維持,。所有非球狀的細(xì)菌擁有表達(dá)類肌動(dòng)蛋白的基因，如大腸桿菌存在mreB基因。當(dāng)大腸桿菌MreB蛋白存在缺陷時(shí),，該細(xì)菌就從桿狀變成球狀,。而且，自然球狀的細(xì)菌沒有表達(dá)MreB的基因,。這些類肌動(dòng)蛋白在細(xì)胞膜底下形成引導(dǎo)參與細(xì)胞壁生物合成的蛋白運(yùn)動(dòng)的螺旋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),。
除了形狀之外，細(xì)胞生長必須維持細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)完整性,。細(xì)菌通過建立一種整體有序性的細(xì)胞壁網(wǎng)絡(luò),，穩(wěn)健地維持這種完整性。只不過細(xì)菌如何利用納米大小的蛋白在微米水平上產(chǎn)生和維持這種有序性仍然是個(gè)謎,。
在這篇研究中,，研究人員證實(shí)在大腸桿菌中左手手性的MreB細(xì)胞骨架能夠?qū)е录?xì)胞壁產(chǎn)生整體性的右手手性排布結(jié)構(gòu)。細(xì)胞壁構(gòu)建材料在MreB指導(dǎo)下局部地插入肽聚糖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中而且自然有序地形成聚糖鏈(glycan strand)并導(dǎo)致細(xì)胞在伸長生長期間左手旋轉(zhuǎn),。通過比較芽孢桿菌細(xì)胞的右手旋轉(zhuǎn)，這些研究結(jié)果支持一種常見的機(jī)制：在桿菌中肽聚糖螺旋插入和手性細(xì)胞壁有序排列相關(guān)聯(lián),。這些細(xì)胞生長的物理原則與細(xì)菌細(xì)胞骨架,、細(xì)胞壁合成的機(jī)制以及細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性存在聯(lián)系。
這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為什么比較重要呢,？因?yàn)榭茖W(xué)家從中能夠更多地理解細(xì)菌是如何自我復(fù)制的,，這樣，科學(xué)家就有更多的機(jī)會(huì)在它們?nèi)肭秩祟愔皩⑵錃⑺馈?生物谷：towersimper編譯)
doi:10.1073/pnas.1117132109
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Helical insertion of peptidoglycan produces chiral ordering of the bacterial cell wall
Siyuan Wang, Leon Furchtgott, Kerwyn Casey Huang, and Joshua W. Shaevitz
The regulation of cell shape is a common challenge faced by organisms across all biological kingdoms. In nearly all bacteria, cell shape is determined by the architecture of the peptidoglycan cell wall, a macromolecule consisting of glycan strands crosslinked by peptides. In addition to shape, cell growth must also maintain the wall structural integrity to prevent lysis due to large turgor pressures. Robustness can be accomplished by establishing a globally ordered cell-wall network, although how a bacterium generates and maintains peptidoglycan order on the micron scale using nanometer-sized proteins remains a mystery. Here, we demonstrate that left-handed chirality of the MreB cytoskeleton in the rod-shaped bacterium Escherichia coli gives rise to a global, right-handed chiral ordering of the cell wall. Local, MreB-guided insertion of material into the peptidoglycan network naturally orders the glycan strands and causes cells to twist left-handedly during elongational growth. Through comparison with the right-handed twisting of Bacillus subtilis cells, our work supports a common mechanism linking helical insertion and chiral cell-wall ordering in rod-shaped bacteria. These physical principles of cell growth link the molecular structure of the bacterial cytoskeleton, mechanisms of wall synthesis, and the coordination of cell-wall architecture.
