產生后代是所有生物的進化目標。單個細胞的增殖是通過細胞周期協調的。2001年,三位科學家因發現真核生物細胞周期是如何被調節的,獲得了當年的諾貝爾生理學獎。最近,瑞士巴塞爾大學Urs Jenal教授帶領的研究團隊,確定了細菌繁殖的主要切換器。真核生物的細胞周期進程是由稱為細胞周期蛋白(cyclins)的小蛋白調節,在細菌中這個作用是由一個小信號分子c-di-GMP完成的。科學家們在最新一期的《Nature》雜志描述了這一過程的分子細節。
這個分子雖然非常小,但是對幾乎所有細菌的生存是至關重要的。這個信號信使——稱為c-di-GMP,在細菌中控制著行為過程。例如,它可確保細菌結合在一起形成生物膜,在人類中這可引發慢性感染。現在,巴塞爾大學的Urs Jenal教授及其同事證明,c-di-GMP也在細菌繁殖中起著決定性的作用。他們發現,這個信使的水平波動隨后影響著關鍵調控蛋白的活性,從而控制細菌的細胞周期和增殖。
信號分子在檢查點設置紅綠燈
細胞如何繁殖?當細胞分裂時,一個母細胞產生兩個子細胞。然而,在這之前,細胞必須經過幾個階段,從生長到其遺傳信息的復制,最后到細胞分裂。這一過程被稱為細胞周期。在對模型細菌——新月柄桿菌(Caulobacter crescentus)的研究中,感染生物學家首次表明,該信號信使c-di-GMP以類似于紅綠燈的方式,控制著細胞周期。當細胞中缺乏c-di-GMP時,顯示紅燈。這表明,細胞將會停留在細胞周期的第一階段。如果c-di-GMP水平增加,開關切換到綠燈,細胞進入下一階段。科學家們探討了在分子水平上究竟發生了什么。
c-di-GMP以兩種作用模式控制一種酶
這個“交通燈“的作用是通過一種酶完成的,這種酶通過兩種不同的方式完成這個作用。Jenal解釋說:“當c-di-GMP缺乏的時候,可阻礙引發遺傳物質復制的過程。然而,一旦產生c-di-GMP,它就與這種酶結合,從而改變其結構和作用方式。隨后,這種封鎖被解除,細菌染色體被復制。”這一步驟標志著細胞周期進入下一個階段。這種信號分子在分裂母細胞中的不同空間分布,在后代行為中也起著重要的作用。
病原體使用相同的信號網絡
這是首次有研究在細菌細胞兩大主要調控網絡之間——小信使和重要的調控酶(稱為激酶),建立一種直接的聯系。所獲得的見解,為闡明病原體更為復雜的c-di-GMP網絡,提供了重要依據。這一信號分子涉及到病體菌的毒性、持久性機制及耐藥性。例如,引起霍亂和肺炎的危險病原體,使用c-di-GMP信號在人類宿主中得以生存。下一步,研究人員想弄清楚,這種分子是否以類似于模型菌C.crescentus的方式,在這些病原體中發揮作用。
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