Science | 揭秘细菌芽孢萌芽的“控制器”——萌芽受体
Journal Club
汇聚思想，点燃新识
Journal Club 凝聚了一批热爱科学、享受科学、传播科学的探索者和发现者。他们志同道合，他们青春飞扬，他们与科学共舞。在这里，你可以收获最新、最真的行业资讯和来自科研一线的文献解读。你关心的就是我们要说的，我们将用最质朴、最客观的文字书写有深度、有温度的科学。Journal Club，与你畅游Journal世界，和你共享科学蔚蓝。
一些种类的微生物在不良或者极端环境下，会生成内生孢子（芽孢），比如枯草芽孢杆菌等。芽孢相比于正常生长的细胞，具有极强的抗逆性（如表1）。
表1. 芽孢和生长细胞的的抗逆性比较(1)
以枯草芽孢杆菌为例，其具有两种不同的生活史(2)（如图1）：一种是无性生殖，进行二分裂生长；另一种则是生成芽孢，这一过程中首先发生不对称的细胞分裂，产生芽孢前体和一个母细胞，然后母细胞会包裹吞噬芽孢前体，并且在芽孢外面逐渐形成若干层厚厚的外被，最终母细胞裂解释放出成熟的芽孢。一旦遇到合适的生长环境比如被一些营养物质所刺激，芽孢能够快速作出响应，并且萌发进入二分裂的生长状态。
图1. 枯草芽孢杆菌( Bacillus subtilis )芽孢生成的过程一览(2)
芽孢除了在细胞外侧具有厚厚的包被之外，其核心还会脱水并且大量累积一种叫做吡啶二羧酸钙（CaDPA）的物质。在芽孢萌发的过程中，CaDPA也会被释放出去，从而使细胞恢复到正常的生理状态。
图2. 芽孢的多层结构以及胞内贮存的CaDPA的结构式(2, 3)
目前研究发现，芽孢的外被可以分为明显的四层结构，每层都具有不同的蛋白质组分，而萌发过程中感知营养物质的受体位于内膜上（Inner membrane）(2, 3)。因此芽孢的外被既要有一定的不通透性以抵御外界不良的环境因素，但是又需要能够让营养物质比如氨基酸等分子渗透进入，从而被内膜上的受体所感知。
图3. 芽孢外被的多层结构及其组分模式图(2)
在感知到营养物质之后，芽孢会发生一系列的变化，比如CaDPA的释放，芽孢外被Cortex的水解。并且进一步导致接下来一系列的过程的发生，比如芽孢核心的膨胀，内膜脂质迁移性的变化，从而最终进入到生长状态：进行快速代谢以及蛋白和RNA的合成。
图4.芽孢萌芽的大致过程(3)
那么芽孢萌发过程中，营养物质是如何被感知的呢？这依赖于内膜上的萌芽受体，这些受体在不同物种如芽孢杆菌和梭状芽孢杆菌中是相对保守的。目前已知GerA蛋白是一种能够感知丙氨酸（L-Alanine）的萌芽受体，在枯草芽孢杆菌中GerA由A B C三个亚基所组成(4)。当GerA受体感知到氨基酸后，会引发下游的一系列变化，比如K+等离子的释放，由SpoVA蛋白所介导的CaDPA的输出和释放。一个关键的问题是：GerA 复合物是如何引发下游的这些变化的——目前仍然不太清楚。
表二. 芽孢杆菌和梭状芽孢杆菌属的萌芽相关蛋白(5)
图5. GerA 所介导的芽孢萌发过程(4)
2023年4月27日，来自哈佛大学医学院的David Rudner教授团队在《Science》期刊上发表题为“Bacterial spore germination receptors are nutrient-gated ion channels“ 的研究论文，揭示了细菌芽孢萌发的受体是营养物质门控型的离子通道，表明这些萌芽受体能够直接感受营养物质并且介导阳离子外流（而不是通过偶联其他的蛋白），从而开启芽孢萌芽的“开关”，为我们理解细菌芽孢的生长发育，了解芽孢的萌芽过程提供了重要参考。
研究者采用AlphaFold预测了GerA 复合体的结构（如图6），发现该复合物能够寡聚并且形成一个类似离子通道的结构，并且在该复合物的中央能够形成一个孔道。在预测的结构中，孔道由GerAA亚基包围而成，GerAA亚基外侧是GerAB亚基，其具有Alanine结合口袋；而GerAC亚基位于胞外侧。
图6. AlphaFold预测的GerA 复合物的结构
下一步研究者们基于之前实验筛选所获得的突变体以及结合AlphaFold所预测的结构对GerA复合物的功能进行了进一步的研究。鉴于V362这一氨基酸是直接面向复合物的孔道的，这一关键氨基酸的突变可能会改变孔道的大小从而严重影响GerA受体的功能。他们发现V362突变为A之后，孔道变大，可能导致GerA处于异常的持续开放的状态，这可能导致了离子异常外流以至于芽孢无法正常形成；而V362L这一突变体能够正常形成芽孢，但是却无法响应外界的营养物质，无法释放阳离子和DPA等，无法正常萌发，这可能是由于该突变使得通道变窄，离子无法被正常释放所致。
图7. GerA 中V362突变对芽孢生长发育的影响
之后研究者们试图将GerA复合物转入指数生长期的枯草芽孢杆菌细胞，以观察该复合物的功能。他们发现当转入带有V362A突变的GerA复合物时，细菌无法生长，并且发现细菌的膜电势明显下降。但是转入野生型GerA复合物的细菌则可以正常生长。这一结果印证了V362A这一突变可能会导致通道处于异常的持续开放状态，从而导致阳离子外泄，膜电势无法维持，细菌无法生长（如图8）。
最后，研究者们发现当有营养物质L-Alanine诱导的时候，野生型GerA复合物会被激活，使得阳离子外流，细胞的膜电位发生下降（如图9）。
图8. GerA V362突变对指数生长期细胞的影响
综上，研究者们发现细菌芽孢的萌芽受体GerA在芽孢萌发的起始过程中的重要作用。他们发现GerA作为一个营养物质门控的离子通道，能够直接感知外界的营养物质，并且介导阳离子的外流，从而为芽孢下一步的萌发过程打下基础。该研究深化了我们对于芽孢这一特殊生命体的认识，有助于我们更加深刻地理解细菌生长发育过程的奥秘。
图9. Ger A能够响应L-alanine并导致膜电位下降
原文链接
https://www.science.org/doi/10.
1126/science.adg9829
参考文献
参考文献
1. P. SETLOW, Spore Resistance Properties. Microbiology Spectrum, (2014).
2. P. T. McKenney, A. Driks, P. Eichenberger, The Bacillus subtilis endospore: assembly and functions of the multilayered coat. Nature Reviews Microbiology 11, 33-44 (2012).
3. P. Setlow, S. Wang, Y. Q. Li, Germination of Spores of the Orders Bacillales and Clostridiales. Annu Rev Microbiol 71, 459-477 (2017).
4. A. M. G. COOPER, Spore Germination. Microbiology Spectrum, (2012).
5. D. Paredes-Sabja, P. Setlow, M. R. Sarker, Germination of spores of Bacillales and Clostridiales species: mechanisms and proteins involved. Trends Microbiol 19, 85-94 (2011).
供稿 | 李浩田
审稿 | 朱盎岐
责编 | 囡囡
排版 | 可洲
精彩回顾
精彩回顾
点击上方卡片
关注我们吧
THE END
我知道你“在看”哟