解构一种不太为人所知的微生物的结构元素

由艺术与科学学院的Mecky Pohlschr?der领导的研究人员揭示了古生菌，这是一种在极端环境中发现的有趣微生物，也存在于人类肠道微生物群中。Pohlschr?der说:“当跨多个不同学科的合作研究最终取得重大发现时，总是令人兴奋的，但当这项研究加深了我们对基本生物过程的理解时，它更令人满意。

　　

古生菌是一种单细胞微生物，最初是在热液喷口等极端环境中发现的，现在也可以在包括人类在内的动物消化系统中发现，它们在肠道健康中起着关键作用。然而，人们对这些细胞的功能知之甚少，也不知道它们是如何形成与环境相匹配的独特形状的。

现在，宾夕法尼亚大学艺术与科学学院的Mecky Pohlschröder领导的研究揭示了决定古细菌形态的分子机制的关键见解。研究结果发表在《Nature Communications》杂志上。

“当跨多个不同学科的合作研究最终取得重大发现时，这总是令人兴奋的，但当研究加深了我们对基本生物过程的理解时，它更令人满意，”Pohlschröder说。“对古细菌中决定细胞形状的蛋白质的表征也可能揭示古细菌中其他细胞过程的机制。”Pohlschröder指出，他们的发现也指出了更好地理解细菌和真核生物的这种机制，真核生物的细胞在膜内含有细胞核。

从高中项目到尖端研究

主要作者Heather Schiller是Pohlschröder实验室的一名前研究生，她讲述了这一发现是如何始于一名高中生在实验室的暑期研究。Schiller说:“我们的夏季研究助理约书亚被赋予了一项艰巨的任务，从一个随机突变库中抽取1000多个菌株，观察它们的游泳能力。在这样做的过程中，他发现了一对超级活跃的火山盐藻突变体。”

Schiller解释说，这个过程涉及到使用琼脂板，这种琼脂板的稠度使细胞可以在上面游动，产生可见的光晕。不会游泳的突变体不会形成这些光环，从而使它们能够被识别。这位学生正在寻找表现出运动能力改变的突变体，其中一些突变体的运动速度比平时快。

Schiller说:“在显微镜下仔细检查后，发现这些快速移动的突变体只形成棒状，而不是圆盘状。这一发现对我们的最新研究至关重要，因为它为进一步研究与形状形成有关的细胞成分提供了明确的方向，而不仅仅是鉴定出的突变蛋白。”

Pohlschröder解释说，在火山盐藻中，棒状和圆盘状的重要性不仅仅是形态学的问题，而且与生物体的功能和对环境条件的适应性有着复杂的联系。杆状体的形状对于有效的游泳尤其重要，它使微生物能够有效地在环境中导航。

最新的研究通过采用整合转座子插入筛选、定量蛋白质组学、反向遗传学和先进显微镜的整体和协作方法，更深入地研究了这些形状转变。

多管齐下的方法

对锁定在特定细胞形状中的突变株的识别，使研究人员的分析流水线进入了下一步:比较定量蛋白质组学，Pohlschröder实验室前博士后研究员、现任罗切斯特理工学院助理教授的Stefan Schulze说。这项技术基本上量化了不同条件下细胞中蛋白质的丰度，使研究人员能够在不同生长阶段将突变体与野生型细胞的蛋白质谱进行比较。这种比较有助于区分与细胞形状相关的蛋白质丰度变化与生长阶段相关的蛋白质。

为了证实这些细胞形状相关蛋白的重要性，Schiller使用了一种反向遗传学方法，其中通过观察其修饰或删除的影响来发现感兴趣基因的功能。“这种方法被用来研究蛋白质组学实验中确定的特定蛋白质的作用，如细胞形状决定中的圆盘决定因子A和棒状决定因子A，”Schulze说。宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的Daniel Safer在真核生物中对肌动蛋白有着广泛的研究背景，他在大约同一时间指出了一种潜在的肌动蛋白同源物，但与其他参与棒状形成的肌动蛋白不同，它在圆盘中含量更高。

虽然蛋白质组学和反向遗传学可以确定哪些蛋白质对改变细胞形状至关重要，但需要先进的显微镜来可视化这些蛋白质在细胞内的行为。与布兰代斯大学助理教授Alexandre Bisson的合作，为这一谜题提供了最后一块缺失的拼图。Bisson实验室利用超分辨率显微镜和计算分析方面的专业知识，对volactin等蛋白质的动态行为进行了可视化和量化，研究人员发现volactin是一种肌动蛋白同源物，在向圆盘状细胞转变的过程中起着至关重要的作用。

Pohlschröder与Bisson实验室合作，以高分辨率创建细胞内volactin聚合物的3D图像。利用volactin与荧光蛋白GFP融合，研究人员能够实时跟踪volactin动态，显示这些聚合物拉长(聚合)和收缩(解聚)，这表明volactin聚合物可以动态地“感知”细胞状态，以协调细胞形状。

Pohlschröder说:“与许多真核细胞的功能不同，肌动蛋白通常与维持细胞形状和促进运动有关，在我们的模型古菌中，这种肌动蛋白同源物对于向盘状细胞的过渡至关重要。”

展望未来

“这项研究真正强调了跨学科合作和专业知识在各个层面推进科学的重要性，”Pohlschröder说。“Daniel的投入，结合我们团队的综合方法，以及斯特凡和亚历克斯的重大贡献，导致了对古细菌细胞形状决定的分子机制，特别是火山喷发素的作用的重要见解。”

Pohlschröder说，下一步是进一步研究这些研究中发现的蛋白质的功能，她和她的团队现在感兴趣的是找出古菌如何知道何时从棒状转变为圆盘状。她目前正在与化学系的研究人员合作，阐明启动细胞形状转变的信号分子。

Identification of structural and regulatory cell-shape determinants in Haloferax volcanii