谷氨酸棒状杆菌单个细胞中的蛋白质定位: 细菌细胞中红色标记的蛋白质 ParB (左) ; 使用高分辨率显微镜可以看到 ParB 累积的单个结构(中) ; 蛋白质密度计算显示了 ParB 在染色体复制原点的分子结构(右)。图片来源: Marc Bramkamp 教授
近几十年来，生命科学的交叉学科领域取得了巨大的进展，尤其是在生命的分子结构研究方面。例如，许多生物体的基因蓝图的大量细节现在已经为人所知。然而，在细胞生物学等领域，许多关于基本生命过程的问题仍然没有得到解答。这些基本问题之一是，单个细胞(最终也包括复杂的生物体)是如何在生物化学信息中获得它们的空间结构，并以稳定的方式将相关信息传递给它们的后代。在基尔大学(CAU) ，由Marc Bramkamp教授领导的微生物生物化学和细胞生物学工作组解决了这个问题。在他们的最新研究中，Bramkamp和他的团队以细菌谷氨酸棒状杆菌为例，对微生物如何复制遗传信息，从而组织它们的生长和繁殖有了新的认识。今天，基尔研究小组与包括巴黎巴斯德研究院(Institut Pasteur)在内的国际同事一起，在著名的科学杂志《Nature Communications》上发表了他们的新发现。
空间结构如何起源于生物化学
微生物的生长是一个相对简单的过程，通过这个过程可以研究生物的繁殖和空间组织问题。例如，许多细菌会形成一种特有的杆状细菌，例如研究中调查的谷氨酸棒状杆菌。为了更好地理解遗传和生长的基本过程，CAU的研究人员调查了在细菌的细胞周期中，带有细菌基因的染色体是如何在细胞内被压缩并传递给后代细胞的。因此，他们跟踪研究了从出生到细胞分裂的整个过程。细菌通过细胞分裂进行繁殖，并且在这个过程中必须复制它们的遗传信息。总的来说，谷氨酸杆菌及其近缘物种的相关过程研究很少。
为了分配复制的遗传信息，这种细菌使用所谓的 ParB 蛋白(来自“partitioning”)。这种蛋白质将染色体与特定的DNA序列结合，并将其连接到细胞的两极，即杆状细菌的两端。 在这样做的过程中，每个染色体都连接到一个特定的细胞极。与之前对细菌的假设相反，棒状杆菌和包括人类在内的大多数脊椎动物一样，每个基因都有两个副本。在ParB和伴侣蛋白ParA的帮助下，复制的染色体被转移到现有的染色体上。Bramkamp解释说:“因此，细菌染色体作为细胞组织的结构元素也很重要，而且不仅仅用于储存遗传信息，”。“我们能够证明，在这种细菌中，染色体的复制基本上始于细胞的两极，新的 DNA 从那里运输到细胞中心，因此特别有效地进行分裂，” Bramkamp继续说。
谷氨酸棒状杆菌细胞的相差显微技术，色体的 DNA 用染料染色(浅蓝色)。
图片来源: Marc Bramkamp教授
染色体是一条比细菌细胞大很多倍的DNA链。 因此，为了容纳细胞中的遗传信息，必须对其进行包装和浓缩。 在这个过程中涉及到所谓的凝缩蛋白复合体。这些特定的酶复合物，协助染色体的组织，并由ParB蛋白添加到DNA中。基尔研究小组发现，在谷氨酸棒状杆菌中存在两种不同的凝缩蛋白复合体，但两者都与遗传信息的包装无关。相反，一种新发现的凝缩蛋白系统调节细菌细胞中所谓质粒的增殖。质粒是细菌细胞中以环状 DNA 的形式存在于染色体外的遗传元件。质粒之所以重要，是因为它们参与了所谓的基因水平转移，例如不同微生物物种之间的遗传信息交换。这使得抗生素抗药性基因和所谓的毒力因子得以传播，即决定细菌致病效果的特性。
高分辨率可见的生命过程
Bramkamp去年从路德维希-马克西米利安-大学(慕尼黑大学)转到中国农业大学普通微生物研究所，在研究细菌繁殖机制时特别重视创新成像技术的开发和使用。在研究新发现的机制时，研究小组使用了所谓的单分子定位显微镜(SMLM) ，这种显微镜能够精确观察单个分子，其精度为20纳米。博士研究员Giacomo Giacomelli强调说:“通过这种方式，我们能够使之前未知的纳米结构可见，这些纳米结构与细菌染色体的组织有关。”。Giacomelli继续说道:“观察和研究生物体内这些过程的能力为理解相关的分子机制开辟了全新的视角。”。
总的来说，以谷氨酸棒状杆菌为例的研究结果具有很高的科学价值，因为这种以前很少被探索的细菌可能代表了一种研究细菌生命过程的新模式生物。这在经济和医疗两方面有很大的潜力。因此，在生物技术生产中，谷氨酸棒状杆菌在氨基酸生产中起着重要作用。它也与某些病原体密切相关，如结核病原体结核杆菌。因此，在这两个领域中，对生命过程，特别是细菌的繁殖的不断增长的理解是非常重要的。
文献来源:
Kati Böhm et al. Chromosome organization by a conserved condensin-ParB system in the actinobacterium Corynebacterium glutamicum, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-15238-4
https://www.nature.com/articles/s41467-020-15238-4
新闻报道来源：
https://phys.org/news/2020-03-previously-unknown-reproduction-mechanism-corynebacterium.html
作者单位： Christian Urban，Kiel University
译文校稿：LuLu
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