控制细胞大小的酶的三重奏

　　

生物通报道：生物体对其细胞的大小进行精确控制，以确保子细胞获得维持生存或特化为特定细胞所需的遗传材料。对于酵母和细菌等单细胞生命，营养的有效性（nutrient availability）是细胞大小的主要决定因素。动物细胞的大小主要是由一种感觉血糖-依赖的激素胰岛素分子控制的。华盛顿大学生物学副教授Petra Levin与其同事最近在枯草杆菌（Bacillus subtilis）中鉴别出一种将营养有效性与菌体大小联系起来的酶的三重奏。详细内容刊登于7月27日《Cell》杂志。

Levin等在B.subtilis中寻找控制细胞分裂时间和位点的因子。B.subtilis是细菌研究的一种模式系统。通过研究这些简单生物调节分裂的方式，她希望能够更好地了解这些过程在癌细胞中出现差错的原因。

Levin实验室一开始主要关注的是一种名为FtsZ的蛋白。FtsZ是微管蛋白的前体，在人类细胞分裂中负责分离复制的染色体。细菌中，FtsZ在预期分裂位点处形成一个环，然后募集分裂所需的所有其他成分，为整个分裂过程提供了支架。

调节FtsZ环形成的因子决定了细胞分裂的时间和位点。“理论上，细胞的分裂不受时间和地点的限制，” Levin实验室研究生Brad Weart说，“细胞必须精确控制这个过程，以便在需要的时间和位点进行分裂。”

《Cell》文章报道，Weart等在B.subtilis中鉴别出一种将细胞分裂和细胞大小联系起来的代谢传感器。这种传感器由之前被证实与细胞膜中一种修饰成分的合成有关的三酶途径组成。研究结果提示这种途径在细胞分裂时发挥主要作用，“目前，这是在细菌中鉴别出的唯一一种直接调节细胞大小的途径。”

一般情况下，生长在营养丰富环境中的细胞的体积比生长在营养贫乏环境中的细胞的体积大。Levin实验室发现，编码这三种酶的基因发生突变导致细胞变小，即便细菌生长在营养丰富的环境中。“基本上，细胞无法通知分裂器暂停下来等待体积达到合适的大小，”Levin说，“似乎它们是生长在极为优良的培养基中，只是它们不知道。”

进一步研究发现，突变动摇了FtsZ环的形成。细胞中，FtsZ 在未装配状态和装配状态之间存在一种平衡。酶的三重奏通过改变这种平衡调节FtsZ环的形成——当细胞生长在营养丰富环境中时，推动FtsZ向未装配状态运动以拖延细胞的分裂，增加细胞的体积。

途径中的三种酶对葡萄糖水平都很敏感，因此途径能够很好地将营养信息直接传递到细胞分裂器。营养贫乏时，酶不再抑制FtsZ组装，允许FtsZ环在细胞很小的时候形成，导致子细胞很小。途径中的第三种酶UgtP，与FtsZ相互作用，防止环形成。UgtP在低水平葡萄糖（营养贫乏条件）时变得不稳定，形成无活性的聚合体。

途径中断会导致染色体分裂出现缺陷。细胞如果太小，则不能有效将其DNA从分裂位点移开，导致子细胞经常得不到足够的遗传材料。根据生长率协调细胞大小，细胞能够维持DNA的正确分配。

这项工作也是对基因组测序局限性的一个警示。“我们越来越多，越来越频繁低发现代谢酶有不止一种功能，”Levin说，“它们的序列没有提示它们有其它活性，因此需要你深入研究，应用不同的方法对其进行鉴别。”Levin强调，她的研究结果只揭示了细胞大小控制领域的冰山一角，但鉴别ugtP等基因有助于更精确地预测一个细胞的体积。（生物通 小粥）