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Cell | 细菌间隙连接的结构和功能

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作者|闵俊

编辑|兮

在长期进化过程中,多细胞生物逐渐形成复杂的细胞间通讯机制,传递内部和环境信号,调节细胞间的分工[1]。丝状蓝细菌是能够进行细胞间通讯的多细胞生物。在氮缺乏的条件下,该菌株沿着菌丝区分固氮非典型细胞,将谷氨酰胺和二肽β提供给相邻的营养细胞。一种天冬氨酸形式的固氮产品。反过来,营养细胞通过光合作用固定CO2,并为异型细胞提供蔗糖作为碳和能量的来源[2]。

除了代谢物之间的相互作用,沿着菌丝体分化模式建立细胞需要信号分子的交换(图1)。交换的信号分子需要穿过菌丝中相邻细胞之间的膜。在多细胞蓝细菌中,该膜含有肽聚糖(PG)盘和两层细胞质膜。外膜可以连续地围绕整个菌丝而不进入膜,并且膜PG中存在的纳米孔对于维持细胞之间的通信是必不可少的[3]。近年来,研究人员利用电子断层扫描技术揭示细胞间隙的直接连接通道具有蛋白质相似性,称其为“隔膜连接(SJs)”[4]。 SJ的功能如此重要,但其结构构成仍未完全解决。膜蛋白FraC,FraD,SepJ和SjcF1被认为是SJ的组成单位[5]。通过SJ进行的分子交换基于扩散发生,但是SJ是否控制以及如何在压力或应激条件下控制细胞之间的信息交换仍然是未知的。蓝藻细丝内的单个细胞可能由于捕食者攻击,剪切或老化而破裂或死亡,并且当解剖的细胞死亡时细丝也会破裂。在这种环境中,生物体如何保留剩余的菌丝也是一个值得研究的问题。

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图1

2019年7月11日,来自瑞士分子生物学和生物物理研究所的Martin Pilhofer教授在Cell中发表了题为“细菌间隙连接类似物的结构和功能”的文章,该文章使用冷冻电子等技术揭示了蓝细菌。断层。细胞内原始细胞间连接的结构和作用机制。

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研究人员首先使用电子低温断层扫描(ECT)分析了原生和接近自然状态的鱼腥藻细胞中Sabas的结构,发现在营养细胞间隙中存在许多SJs样结构,这些结构在营养细胞间隙中是管状的。有三个模块(Tube),Plug(Plug)和Cap(Cap)(图2)。

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图2

随后,作者使用光漂白后的荧光恢复(FRAP)来监测质子压下的钙交换速率。发现当消除细胞之间的质子跨膜梯度时,超过80%的细胞停止钙交换并在细胞之间交换。压抑。在恢复细胞的质子跨膜梯度后,大多数细胞恢复通讯,表明分子交换的抑制作用是可逆的。这种交换的可逆性基于SJ的开放机制,并且与从头合成过程无关。

为了检测SJs的大分子结构是否在细胞交换过程中发生变化,作者用冷冻无质子跨膜梯度分析了鱼腥藻细胞并获得了间质断层扫描。结果表明,帽状模块经历显着的构象变化,而管状和塞状结构保持不变。由于AmiC1,SepJ和SjcF1在纳米孔和SJ的形成中起重要作用,因此作者分析了这些蛋白的SJ突变体结构及其在控制细胞间分子交换中的功能。层析成像显示amiC1突变体的SJ是开放的并且与野生型相比没有结构差异。在无质子跨膜梯度处理后,FRAP用于监测细胞间分子的交换,发现超过80%的细胞显示无细胞通讯,少量SJ仍可转换为关闭状态。与先前的研究一致,酰胺酶AmiC1不是SJ的主要结构组分,并且在门控机制中不起作用。此外,sepJ突变细胞显示细胞间通讯减少,可能是由于较低的SJ总数。结合现有研究,表明SepJ不是SJ的主要结构成分,并且它更可能在协调膜成熟和酰胺酶依赖性纳米孔的精确构型中发挥重要作用。使用相同的方法研究SjcF1突变体,表明SjcF1不是SJ的主要结构组分,但在纳米孔的形成中起调节作用。

研究表明,FraC和FraD也与SJ有关,对菌丝的完整性很重要[5]。作者分析了fraC,FraD和FraC-FraD双突变体的SJs结构,结果显示FraD和FraC-FraD突变体的SJ缺少帽状和插塞样模块。 FraC突变体表现出异质表型,包括完全组装的SJ,无帽和未插入的SJ,以及错误组装的SJ。 FRAP分析显示帽或栓结构与SJ的闭合相关,并用于终止细胞之间的分子扩散。 FraC在SJs组件定位和组装的校准中起着重要作用,FraD很可能是SJ的主要结构组件。为了进一步探讨FraD是否是SJ的结构成分,作者构建了表达GFP的FraD N末端融合突变体。突变体的层析成像和FRAP分析表明FraD是SJ的主要结构组分并且位于类似插塞的模块中。帽和塞结构形成功能单元,其为细胞间通信提供结构基础和门控机制。

细胞间信息交换的门控机制在不同的环境条件下非常重要,因此作者进一步分析了氧化应激和光照条件的不足是否会影响SJ的闭合。通过FRAP分析和ECT成像,表明氧化应激和黑暗环境均可诱导SJs结构的闭合,从而影响门控细胞之间的分子交换。总之,蓝细菌的SJ是动态门控的细胞间连接结构,在不同类型的应激条件下可逆地阻断细胞间隙沿着菌丝的分子扩散(图3)。

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图3 SJ通过构象变化可逆地门控细胞间通讯

蓝藻间隙连接的原位结构分析表明它是门控细胞间通讯通道。 SJ与后遗症中的间隙连接非常相似,但它比后生动物的间隙连接晚了10亿年。在这些不同的谱系中,动态门控机制的趋同演化反映了多细胞生物中分子交换控制机制的重要性,以帮助身体在特定代谢条件下或在捕食或分裂期间停止交流。在压力条件下,间隙连接的闭合可以防止细胞质组分泄漏到受损细胞中,从而避免整个多细胞生物的生存状态的恶化,并且是跨物种的通用存活调节策略。

原始链接:

Platemaker:珂

参考

1. Brunet,T。和King,N。(2017)。动物多细胞性和细胞分化的起源。开发。 Cell 43,124-140。

2. Cumino,AC,Marcozzi,C.Barreiro,R。和Salerno,GL(2007)。 Anabaena sp。的碳循环PCC 7120.异种细胞中的蔗糖合成和可能在固氮中的作用。 Plant Physiol.143,1385-1397。

3. Nurnberg,DJ,Mariscal,V.Bornikoel,J.Nieves-Morion,M.Krau?N.Herrero,A.Maldener,I.Flores,E。和Mullineaux,CW(2015荧光蔗糖类似物通过丝状蓝细菌的隔膜连接处的细胞间扩散.MBio6,e02109。

4. Flores,E.Herrero,A.Forchhammer,K。和Maldener,I。(2016)。丝状异形囊形成蓝细菌的隔膜连接。趋势微生物。 24,79-82。

5.Rudolf,M.Tetik,N.Ramos-Leon,F.Flinner,N.Ngo,G.Stevanovic,M.Burnat,M.Pernil,R.Flores,E。and Schleiff,E。(2015)。肽聚糖结合蛋白Sjcf1影响丝状蓝细菌鱼腥藻中的隔膜连接功能和通道形成。 MBio6,e00376。