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NpF2164 - Biología

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NpF2164
El estudio genómico y el análisis bioquímico de cianobacteriocromos candidatos recombinantes revelan el enriquecimiento de los sensores casi UV / violeta en las cianobacterias halotolerantes y alcalifílicas Microcoleus IPPAS B353 * *

Las cianobacteriocromos (CBCR), que son exclusivas y están muy extendidas entre las cianobacterias, son fotoproteínas que detectan toda la gama de luz visible y UV cercana. Los CBCR están relacionados con los fitocromos rojo / rojo lejano que utilizan cromóforos tetrapirrol lineales (bilina). Se caracteriza mejor por la cianobacteria unicelular. Synechocystis sp. PCC 6803 y el heterociste multicelular que forma cianobacterias filamentosas Nostoc puntiforme ATCC 29133 y Anabaena sp. PCC 7120, los CBCR se han investigado poco en cianobacterias no heterocísticas que forman esteras. En este estudio, secuenciamos el genoma de una de esas especies, Microcoleus IPPAS B353 (Microcoleus B353), e identificó dos fitocromos y siete CBCR con uno o más bilin vinculante cGRAMOFosfodiesterasa específica de MP, adenilil ciclasa y Fdominios hlA (GAF). Mediciones bioquímicas y espectroscópicas de 23 proteínas GAF purificadas de ficocianobilina (PCB) productoras de recombinantes Escherichia coli indicaron que 13 de estas proteínas formaron aductos covalentes absorbentes de luz visible y UV cercanos: 10 GAF contenían cromóforos de PCB, mientras que tres contenían el isómero de PCB, ficoviolobilina (PVB). Además, el complemento de Microcoleus Los CBCR B353 están enriquecidos en sensores casi ultravioleta y violeta, pero carecen de CBCR rojos / verdes y verdes / rojos que están ampliamente distribuidos en otras cianobacterias. Presumimos que el enriquecimiento en CBCR que absorben longitudes de onda corta es fundamental para la aclimatación a entornos de mucha luz donde se encuentra este organismo.

Las secuencias del genoma completo, la información de anotación y las funciones detalladas predichas de Microcoleus B353 son accesibles a través de NCBI (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/203668).

Este trabajo fue apoyado por subvenciones del Programa BioGreen 21 de Próxima Generación, la Subvención de la Administración de Desarrollo Rural PJ011659 y la Subvención del Centro de Investigación y Desarrollo de Biomasa Avanzada (ABC) de Corea NRF-2011-0031344, financiada por el Ministerio de Ciencia, TIC y Futuro Planificación, Corea (a YI. P.). Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses relacionado con los contenidos de este artículo.


Auldridge ME, Forest KT (2011) Fitocromos bacterianos: más de lo que parece. Crit Rev Biochem Mol Biol 46 (1): 67–88

Delaglio F, Grzesiek S et al (1995) NMRPipe: un sistema de procesamiento espectral multidimensional basado en tuberías UNIX. J Biomol NMR 6 (3): 277-293

Ikeuchi M, Ishizuka T (2008) Cyanobacteriochromes: una nueva superfamilia de fotorreceptores de unión a tetrapirrol en cianobacterias. Photochem Photobiol Sci 7 (10): 1159-1167

Ikura M, Kay LE et al (1990) Un enfoque novedoso para la asignación secuencial de espectros de proteínas 1H, 13C y 15N: espectroscopia de RMN tridimensional de triple resonancia heteronuclear. Aplicación a la calmodulina. Bioquímica 29 (19): 4659–4667

Ishizuka T, Kamiya A et al (2011) El cianobacteriocromo, TePixJ, isomeriza su propio cromóforo al convertir ficocianibina en ficoviolobilina. Bioquímica 50 (6): 953–961

Narikawa R, Ishizuka T et al (2013) Las estructuras de cianobacteriocromos de los reguladores de fototaxis AnPixJ y TePixJ revelan un mecanismo de fotoconversión general y específico. Proc Natl Acad Sci 110 (3): 918–923

Rockwell NC, Martin SS et al (2011) Diversos fotociclos de dos cisteínas en fitocromos y cianobacteriocromos. Proc Natl Acad Sci 108 (29): 11854-11859

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Wishart DS, Sykes BD et al (1992) El índice de desplazamiento químico: un método rápido y sencillo para la asignación de la estructura secundaria de la proteína mediante espectroscopia de RMN. Bioquímica 31 (6): 1647–1651


El papel de la maquinaria Pilus de cianobacterias tipo IV en la búsqueda y mantenimiento de un entorno favorable

La revisión de Conradi et al. es un documento interesante y oportuno que resume los conocimientos actuales sobre el ensamblaje y las funciones de las cianobacterias tipo 4 pili (T4P). Esta revisión recopila información, desde estudios anteriores hasta publicaciones actualizadas, y cubre de manera integral varios temas de interés. Se presta especial atención a la fototaxis, el movimiento hacia o desde la luz. Los autores describen detalladamente el mecanismo y su regulación y proporcionan modelos resumidos que describen los beneficios de este fenómeno, p. Ej. posicionamiento celular óptimo en una columna de agua o dentro de una comunidad, como una alfombra microbiana. Además, se describe el papel de la motilidad en la formación de ensamblajes multicelulares, así como los papeles del aparato T4P en la secreción y la competencia del ADN. La reseña está escrita de forma clara y precisa y sin duda merece una publicación. A continuación se presentan algunos comentarios menores para consideración de los autores.

  1. Líneas 105-107: "La percepción de la luz en Phormidium uncinatum y hellip. Depende de la disminución de la luz en el extremo delantero del filamento y del aumento de la luz en el extremo retrasado, aunque el mecanismo de esta comparación espacial no está claro". La descripción de disminuciones de luz y aumentos de luz en este contexto es muy poco clara. Revise para aclarar.
  2. La referencia al estudio que indica la participación de un homólogo de PilB en la secreción de proteínas (actualmente línea 259) se ajusta mejor a la sección titulada & ldquoEl aparato T4P tiene funciones estructurales y secretoras en la formación de comunidades de cianobacterias & rdquo.
  3. Los autores pueden considerar agregar una sección titulada "Comentarios finales / Orientaciones futuras".

Primero, agradezcamos al revisor sus valiosos comentarios. Hemos revisado exhaustivamente el manuscrito en respuesta a los comentarios de los tres revisores. Encontrará los comentarios del revisor 1 a continuación, seguidos de nuestras respuestas en negrita.

  1. Líneas 105-107: "La percepción de la luz en Phormidium uncinatum y hellip. Depende de la disminución de la luz en el extremo delantero del filamento y del aumento de la luz en el extremo retrasado, aunque el mecanismo de esta comparación espacial no está claro". La descripción de disminuciones de luz y aumentos de luz en este contexto es muy poco clara. Revise para aclarar.

Gracias por señalar esto. Hemos revisado nuestra declaración (ver línea 107-109).

  1. La referencia al estudio que indica la participación de un homólogo de PilB en la secreción de proteínas (actualmente línea 259) se ajusta mejor a la sección titulada & ldquoEl aparato T4P tiene funciones estructurales y secretoras en la formación de comunidades de cianobacterias & rdquo.

Ahora hemos cambiado esto como se sugirió a la sección 4 (ver líneas 320-323)

Gracias por este valioso comentario. Seguimos también la sugerencia del revisor 3 de incluir partes de nuestros últimos párrafos en esta sección.

Este manuscrito de revisión se ocupa de la maquinaria del pilus tipo IV en las cianobacterias, incluidos varios aspectos como la fisiología y la regulación. Este manuscrito está bien organizado y el inglés es muy agradable. Por lo tanto, el manuscrito de revisión debería contribuir en gran medida a la comunidad científica de las cianobacterias y, por lo tanto, ser adecuado para su publicación después de que se hayan resuelto varias inquietudes.

1. En la sección 2, los autores resumieron la regulación fototáctica basándose principalmente en los estudios sobre S. 6803. Los autores describieron UirS, PixJ1 y Cph2, pero no PixD, el sensor de luz azul basado en BLUF en cooperación con PixE. Recomiendo incorporar historias de PixD-PixE. Además, no solo PixG sino también LsiR y PixE son reguladores de respuesta que contienen el dominio PATAN en el extremo N, que debe describirse en el contexto de una posible salida común al aparato T4P. Si bien PixJ y su grupo de genes están altamente conservados entre varias cianobacterias, UirS, Cph2 y PixD no están tan conservados, lo que indica que la señalización de PixJ puede ser la principal vía reguladora para la regulación fototáctica en las cianobacterias. Además, las cualidades de detección de luz de los dominios GAF de los homólogos de PixJ están muy diversificadas: no solo el fotociclo azul / verde sino también el rojo / verde y muchos otros. Recomiendo describir brevemente estas cosas en esta sección para citar varias referencias, especialmente el Nostoc PtxD (NpF2164) Ref (Campbell et al. J. Bacterial.2015197 (4): 782-791 & amp Rockwell et al.2012 Biochemistry 51 (48 ): 9667-9677).

2. L231-L232: Obras de Enomoto, Ref. 75 y 76, ambos tratan de la agregación de T. vulcanus. T. elongatus NO mostró ninguna agregación en condiciones de luz de baja temperatura, mientras que T. vulcanus muestra bien la agregación celular. Entonces, Enomoto y sus coautores se centraron en la fisiología de T. Vulcanus, aunque sus trabajos bioquímicos in vitro iniciales sobre SesA se han centrado en T. elongatus. De todos modos, los autores deben leer atentamente estas referencias y describirlas correctamente. Esta diferencia fisiológica entre T. elongatus y T. vulcanus es análoga a los problemas de la microevolución de Synechococcus y Synechocystis descritos en L412-427. También se pueden incorporar en esta sección cuestiones relacionadas con el termosinechococo.

3. L65 Hay muchos homólogos de PilA en S. 6803 y N. punctiforme. Es preferible describir si los homólogos de PilA de las otras cianobacterias y bacterias también son redundantes o no.

4. L143: flavina y gt mononucleótido de flavina

Primero, agradezcamos al revisor sus valiosos comentarios. Hemos revisado exhaustivamente el manuscrito en respuesta a los comentarios de los tres revisores. Encontrará los comentarios del revisor 2 seguidos de nuestras respuestas en negrita

  1. En la sección 2, los autores resumieron la regulación fototáctica basándose principalmente en los estudios sobre S. 6803. Los autores describieron UirS, PixJ1 y Cph2, pero no PixD, el sensor de luz azul basado en BLUF en cooperación con PixE. Recomiendo incorporar historias de PixD-PixE.

Ahora incluimos un párrafo (líneas 162-166) sobre la participación del sistema PixD-PixE en la fototaxis.

Además, no solo PixG sino también LsiR y PixE son reguladores de respuesta que contienen el dominio PATAN en el extremo N, que debe describirse en el contexto de una posible salida común al aparato T4P.

Hemos incorporado la sugerencia del revisor y rsquos en las líneas 167-169.

Si bien PixJ y su grupo de genes están altamente conservados entre varias cianobacterias, UirS, Cph2 y PixD no están tan conservados, lo que indica que la señalización de PixJ puede ser la principal vía reguladora para la regulación fototáctica en las cianobacterias. Además, las cualidades de detección de luz de los dominios GAF de los homólogos de PixJ están muy diversificadas: no solo el fotociclo azul / verde sino también el rojo / verde y muchos otros. Recomiendo describir brevemente estas cosas en esta sección para citar varias referencias, especialmente el Nostoc PtxD (NpF2164) Ref (Campbell et al. J. Bacterial.2015197 (4): 782-791 & amp Rockwell et al.2012 Biochemistry 51 (48 ): 9667-9677).

Agradecemos al revisor por esta sugerencia. Hemos agregado información sobre algunos homólogos de PixJ de cianobacterias (líneas 151-157) pero creemos que una exploración más detallada de los fotociclos PixJ estaría más allá del alcance de esta revisión, que se centra principalmente en la participación de los pili de tipo IV en el comportamiento celular.

  1. L231-L232: Obras de Enomoto, Ref. 75 y 76, ambos tratan de la agregación de T. vulcanus. T. elongatus NO mostró ninguna agregación en condiciones de luz de baja temperatura, mientras que T. vulcanus muestra bien la agregación celular. Entonces, Enomoto y sus coautores se centraron en la fisiología de T. Vulcanus, aunque sus trabajos bioquímicos in vitro iniciales sobre SesA se han centrado en T. elongatus. De todos modos, los autores deben leer atentamente estas referencias y describirlas correctamente. Esta diferencia fisiológica entre T. elongatus y T. vulcanus es análoga a los problemas de la microevolución de Synechococcus y Synechocystis descritos en L412-427. También se pueden incorporar en esta sección cuestiones relacionadas con el termosinechococo.

Gracias por este comentario tan importante y nos disculpamos por la cita incorrecta del trabajo de Enamoto & rsquos en nuestro envío inicial. Hemos modificado la sección en consecuencia. Además, hemos discutido las diferencias fisiológicas entre ambos Thermosynechococccus cepas y microevolución con Gen Enomoto personalmente. Su sugerencia fue omitir esto de la discusión porque actualmente no hay una explicación clara para los diferentes fenotipos de agregación. Sin embargo, incluimos una breve declaración sobre esto en las observaciones finales (línea 445-447).

  1. L65 Hay muchos homólogos de PilA en S. 6803 y N. punctiforme. Es preferible describir si los homólogos de PilA de las otras cianobacterias y bacterias también son redundantes o no.

No estamos seguros de lo que requiere el revisor aquí. No hicimos ningún comentario en este momento sobre la redundancia o no de los múltiples homólogos de PilA. Investigaciones recientes sugieren funciones especializadas para al menos algunos de los homólogos de pilina (que generalmente se denominan pilinas menores debido a su menor abundancia), como discutiremos más adelante en el contexto de la floculación, por ejemplo. Por tanto, no es posible concluir sobre una redundancia independiente de funciones específicas de los pilines menores.

Ha sido cambiado.

La revisión titulada & ldquoThe papel de la maquinaria cianobacteriana del pilus tipo IV en la búsqueda y mantenimiento de un ambiente favorable & rdquo por Conradi, Mullineaux y Wilde describe varios aspectos establecidos de la motilidad cianobacteriana utilizando conjuntos de pilus tipo IV y amplía la investigación anterior que cubre la motilidad cianobacteriana con las observaciones experimentales más recientes, añadiendo información sobre los mecanismos de agregación célula-célula cianobacteriana descritos hasta ahora sólo de forma escasa. Esta revisión bien escrita y completa da lugar a solo unos pocos comentarios de mi parte, mientras que en la mayoría de los casos los fenómenos se describen en detalle, en algunos lugares, sería deseable un poco más de información de fondo para los lectores que no estén completamente familiarizados con el tema de la motilidad de las cianobacterias. . Recomiendo esta revisión para su publicación, ya que proporciona un resumen valioso para los investigadores de cianobacterias y agrega interesantes perspectivas de investigación futuras. Sin embargo, pediría que se aborden algunos puntos menores antes de la publicación que se enumeran a continuación:

Línea 43: Sugeriría escribir & ldquopilin protein & rdquo en lugar de pilinas.

Línea 48: En la Figura 1, la primera figura se describe como T4aP, ¿no debería ser T4P aquí? Si no es así, ¿qué significa & ldquoa & rdquo? En este contexto, en la primera mención de una figura en el texto, los autores deciden usar una & ldquoF & rdquo mayúscula, mientras que en la mención posterior de figuras, la figura se escribe siempre con & ldquof & rdquo en minúscula. Por favor unifique.

Línea 60-62: Una referencia al final de la oración sería suficiente.

Línea 63: deletree en su totalidad el nombre de la especie T. thermophilus.

Línea 95: proporcione una referencia.

Línea: 108: supongo que los autores se refieren a Anabaena variabilis?

Línea 118: Dada su probable función de mantenimiento no cromosómica, es probable que la proteína se caracterice mejor como una proteína rica en espirales enrolladas en lugar de una proteína SMC.

Línea 141: Escriba en su totalidad & ldquoLOV & rdquo y & ldquoBLUF & rdquo.

Línea 170: De este párrafo, la conexión de los fotorreceptores y la multicelularidad no está clara. Elimine la multicelularidad aquí o dé un ejemplo de tal dependencia.

Línea 175: Las biopelículas no se mencionaron antes, ¿por qué los autores deciden dar un modelo en este contexto aquí? Tal vez la referencia a la Figura 2 funcione mejor en el siguiente párrafo donde se discuten las biopelículas o mencionen brevemente por qué una biopelícula es un buen ejemplo particular (que lo es) de comportamiento fototáctico.

Línea 189: Yo diría que los ensamblajes célula-célula no son verdaderas manifestaciones de multicelularidad bacteriana. Esto también se aplica a algunas otras líneas más adelante en el manuscrito. Dado que parte de la literatura anterior está de acuerdo con la descripción de los autores de la multicelularidad (por ejemplo, Claessen et al., 2014), podría entender si los autores prefieren dejarlo como está. Sin embargo, preferiría describir esos ensamblajes como multicelulares transitorios. Carecen de contactos estables célula-célula y comunicación directa célula-célula a través de poros / canales y no diferencian células especializadas.

Línea 205-208: ¿Es esta hipótesis del manuscrito actual o de la referencia 6? No puedo encontrar ninguna mención de relaciones de superficie a volumen o aspectos relacionados en la referencia 6.

Línea 223: proporcione una breve descripción de lo que muestra la Fig. 3b. ¿Estamos viendo un cultivo en un pozo o en una placa de crecimiento o algo completamente diferente?

Línea 228: Creo que sería útil proporcionar una breve descripción / definición de biopelículas frente a flóculos.

Línea 246: una coma después del conocimiento.

Línea 250-252: proporcione una referencia.

Línea 295-298: ¿Cuál es la diferencia entre pili tipo IV y tipo Iva? Describe brevemente.

Línea 300: & ldquoimplies & rdquo es una palabra fuerte aquí, tal vez & ldquosuggests & rdquo o & ldquoindicates & rdquo encajarían mejor, dado que los autores indican algunas líneas más abajo que también existen otras explicaciones.

Línea 385-388: ¿Por qué es sorprendente que los hallazgos de Yoshihara & rsquos sobre coma son diferentes a los hallazgos de Nakasugi en comF? Esos son dos genes diferentes que pueden tener diferentes fenotipos tras la deleción.

Línea 390-391: Sería útil indicar esas proteínas en la Fig.1 y hacer referencia a la figura aquí o describir cómo están basadas en pilus (es decir, ¿interactúan directamente con algunas de las proteínas de pilus mencionadas o similares?) .

Línea 412-427: Creo que esos dos párrafos formarían un bonito título independiente (es decir, 7. Outlook).

Línea 424: Retire el soporte después de la referencia.

Gracias por los valiosos comentarios. Hemos revisado exhaustivamente el manuscrito en respuesta a los comentarios de los tres revisores. Encontrará los comentarios del revisor 3 seguidos de nuestras respuestas en negrita.

Línea 43: Sugeriría escribir & ldquopilin protein & rdquo en lugar de pilinas.

De acuerdo, lo hemos cambiado aquí a & ldquopilin protein & rdquo. Sin embargo, todavía hemos utilizado el término & ldquopilins & rdquo en el manuscrito porque este término se usa con mucha frecuencia en el campo.

Línea 48: En la Figura 1, la primera figura se describe como T4aP, ¿no debería ser T4P aquí? Si no es así, ¿qué significa & ldquoa & rdquo? En este contexto, en la primera mención de una figura en el texto, los autores deciden usar una & ldquoF & rdquo mayúscula, mientras que en la mención posterior de figuras, la figura se escribe siempre con & ldquof & rdquo en minúscula. Por favor unifique.

Gracias por este importante comentario. Hemos cambiado esta parte del manuscrito en consecuencia (líneas 40-44) e introducimos ahora el sistema de pilus tipo Iva.

Línea 60-62: Una referencia al final de la oración sería suficiente.

Lo cambiamos.

Línea 63: deletree en su totalidad el nombre de la especie T. thermophilus.

Lo cambiamos.

Línea 95: proporcione una referencia.

Hemos introducido la referencia 24.

Línea: 108: supongo que los autores se refieren a Anabaena variabilis?

Sí, eso es correcto, lo hemos cambiado.

Línea 118: Dada su probable función de mantenimiento no cromosómica, es probable que la proteína se caracterice mejor como una proteína rica en espirales enrolladas en lugar de una proteína SMC.

Gracias por este comentario, lo hemos modificado en consecuencia (línea 120).

Línea 141: Escriba en su totalidad & ldquoLOV & rdquo y & ldquoBLUF & rdquo.

Línea 170: De este párrafo, la conexión de los fotorreceptores y la multicelularidad no está clara. Elimine la multicelularidad aquí o dé un ejemplo de tal dependencia.

Hemos aclarado este punto reformulando a & lsquobiofilm formación & rsquo (línea 185). La intención de esta declaración no era reclamar dependencia directa, sino más bien sugerir la posibilidad de tal como se podría esperar en base a la actividad fosfodiesterasa de SL2, y que tales estudios se beneficiarían del uso de la biopelícula móvil y nativa formadora de biopelículas. S. elongatus Cepa UTEX 3055.

Línea 175: Las biopelículas no se mencionaron antes, ¿por qué los autores deciden dar un modelo en este contexto aquí? Tal vez la referencia a la Figura 2 funcione mejor en el siguiente párrafo donde se discuten las biopelículas o mencionen brevemente por qué una biopelícula es un buen ejemplo particular (que lo es) de comportamiento fototáctico.

De acuerdo, hemos puesto una referencia a la figura 2 ahora en el siguiente párrafo (línea 190) y hemos agregado una oración (línea 190-192) sobre la formación de biopelículas y su posible conexión con la respuesta de fototaxis.

Línea 189: Yo diría que los ensamblajes célula-célula no son verdaderas manifestaciones de multicelularidad bacteriana. Esto también se aplica a algunas otras líneas más adelante en el manuscrito. Dado que parte de la literatura anterior está de acuerdo con la descripción de los autores de la multicelularidad (por ejemplo, Claessen et al., 2014), podría entender si los autores prefieren dejarlo como está. Sin embargo, preferiría describir esos ensamblajes como multicelulares transitorios. Carecen de contactos estables célula-célula y comunicación directa célula-célula a través de poros / canales y no diferencian células especializadas.

De acuerdo con su sugerencia, hemos eliminado & ldquomulticellular & ldquo del encabezado para evitar confusiones (línea 204). El texto siguiente explica lo que queremos decir aquí con "quomulticelular", que no pretende necesariamente implicar contactos estables de célula a célula o comunicación directa de célula a célula.

Línea 205-208: ¿Es esta hipótesis del manuscrito actual o de la referencia 6? No puedo encontrar ninguna mención de relaciones de superficie a volumen o aspectos relacionados en la referencia 6.

La hipótesis de que la estructura de los flóculos filamentosos permite una mayor penetración de nutrientes en los flóculos se analiza brevemente en Conradi. et al., 2019 (originalmente referencia 61 ahora referencia 71).

Línea 223: proporcione una breve descripción de lo que muestra la Fig. 3b. ¿Estamos viendo un cultivo en un pozo o en una placa de crecimiento o algo completamente diferente?

Hemos agregado ahora una descripción más detallada (líneas 241-242).

Línea 228: Creo que sería útil proporcionar una breve descripción / definición de biopelículas frente a flóculos.

Hemos agregado una oración para definir mejor los flóculos (líneas 222-223).

Línea 246: una coma después del conocimiento.

Línea 250-252: proporcione una referencia.

Hemos insertado las referencias 89 y 37 para el Termosinechococo y Synechocystis trabajo, respectivamente (línea 262-263).

Línea 295-298: ¿Cuál es la diferencia entre pili tipo IV y tipo Iva? Describe brevemente.

Describimos esto ahora en las líneas 40-44.

Línea 300: & ldquoimplies & rdquo es una palabra fuerte aquí, tal vez & ldquosuggests & rdquo o & ldquoindicates & rdquo encajarían mejor, dado que los autores indican algunas líneas más abajo que también existen otras explicaciones.

Cambiado (línea 299).

Línea 385-388: ¿Por qué es sorprendente que los hallazgos de Yoshihara & rsquos sobre coma son diferentes a los hallazgos de Nakasugi en comF? Esos son dos genes diferentes que pueden tener diferentes fenotipos tras la deleción.

Sí, estamos de acuerdo, hemos reformulado la sección en cuestión para aclarar (líneas 405-411).

Línea 390-391: Sería útil indicar esas proteínas en la Fig.1 y hacer referencia a la figura aquí o describir cómo están basadas en pilus (es decir, ¿interactúan directamente con algunas de las proteínas de pilus mencionadas o similares?) .

Aunque estas proteínas se han indicado en las siguientes ilustraciones, creemos que el mecanismo de acción y los posibles socios de interacción de ComA y ComF en las cianobacterias es muy poco claro y, por lo tanto, sugerimos no incluirlos en esta revisión en la figura 1. En cambio, hemos modificado líneas 412-413 para reflejar mejor el significado pretendido.

Línea 412-427: Creo que esos dos párrafos formarían un bonito título independiente (es decir, 7. Outlook).

Sí, hemos cambiado esto ahora. Véase el nuevo párrafo 7. Observaciones finales.


1. Facultad de Ingeniería Biológica y Ambiental, Universidad de Binzhou, Binzhou 256600, China

2. Facultad de Ciencias de la Vida, Universidad Normal de China Central, Wuhan 430079, China

Autor para correspondencia: Guo-Zheng DAI, [email protected]

Fecha de recepción: 21/05/2020
Fecha de aceptación: 2020-10-27
Fecha de publicación web:

蓝藻 运动 是 蓝藻 积极 适应 外部 环境 的 体现。 根据 蓝藻 种类 及 运动 方式 不同 可 将 蓝藻 运动 概括 为 三类: 即 蓝藻 泳 动 、 蓝藻 蹭 动 、 蓝藻 滑动。 文章 综述 了 蓝藻 运动 的 相关 研究 对, 对蓝藻 不同 运动 方式 进行 描述, 并对 蓝藻 各种 运动 方式 可能 产生 机制 进行 了 总结, 列举 了 未来 研究 蓝藻 运动 需要 解答 的 问题。

La motilidad de las cianobacterias es un reflejo de la adaptación activa de las cianobacterias al entorno externo de forma activa. El movimiento de las cianobacterias se puede dividir en tres categorías según los tipos y modos de movimiento: motilidad de natación, motilidad de tics y motilidad de deslizamiento. Este artículo hace referencia a la literatura relacionada sobre la motilidad de las cianobacterias, describe diferentes modos de movimiento de las cianobacterias, resume el posible mecanismo de varios modos de movimiento de las cianobacterias y enumera las preguntas que deben responderse en la investigación futura sobre la motilidad de las cianobacterias.

蓝藻 又称 蓝 细菌, 是 地球 上 最早 出现 的 光合 放 氧 生物 [1]。 人们 通常 认为 真核生物 中 光合 细胞 器 (如 高等植物 叶绿体) 的 起源 可能 是 吞噬 性 宿主 和 蓝藻 内 共生 的 结果 [2 ], 深入 理解 蓝藻 生命 活动 过程 可 为 认识 真核生物 中 光合 细胞 器 的 发生 、 调控 及 功能 发挥 具有 重要 的 借鉴 意义。 蓝藻 与 某些 原 核 细菌, 如 黄色 黏 球菌 (Myxococcus xanthus), 铜绿 假单胞菌 (Pseudomonas aeruginosa) 类似, 具有 运动 能力, 能够 在 液体 或 潮湿 固体 表面 运动 [3-6]。 蓝藻 运动 可使 蓝藻 选择 更 适应 自身 生长 的 环境, 例如 更 有利 的 光照 或 营养 环境, 是 蓝藻 长期 进化 过程 中 形成的 有效 环境 适应 策略。 单 细胞 蓝藻 和 丝状 蓝藻 都 可以 发生 运动。 根据 蓝藻 种类 及 运动 方式 的 不同 可 将 蓝藻 运动 分为 三类 [7]: (1) 蓝藻 泳 动 (Motilidad de natación), 主要指 某些 海洋 单 细胞 蓝藻 在 水中 运动 的 形式, 如 聚 球 藻 WH8102 (Synechococcus sp. WH8102) 在 水中 的 运动 (2) 蓝藻 蹭 动 (Movimientos espasmódicos), 主要 指 某些 单 细胞 蓝藻 沿 固体 表面 的 运动 形式, 如 集 胞 藻 PCC6803 (Synechocystis sp. PCC6803, 下文 简称 为 集 胞 藻) 的 趋 光 运动 (3) 蓝藻 滑动 (Motilidad de deslizamiento), 主要 指 某些 丝状 蓝藻 沿 固体 表面 的 运动 形式, 如 某些 颤 藻 目 (Oscilatoriales) 或 念珠 藻 目(Nostocales) 蓝藻 的 运动。 蓝藻 运动 过程 受到 精细 复杂 的 调控, 需要 大量 蛋白 协同 参与 完成, 研究 其 调控 机理 可使 我们 从 根本 上 理解 蓝藻 运动 过程, 丰富 我们 对 原核生物 积极 主动 适应 外界 环境 策略 的认识, 为 构建 人造 微型 运动 设备 提供 理论 模型。 下文 对 蓝藻 不同 的 运动 方式 及其 可能 的 发生 机制 分别 进行 阐述, 概括 了 蓝藻 运动 机制 研究 所需 揭示 的 几个 主要 问题, 为 相关 研究者 提供 参考。

1 蓝藻 泳 动

1.1 蓝藻 泳 动 现象 描述

蓝藻 泳 动 现象 主要 发现 于 生活 在 热带 或 亚热带 开阔 海洋 中 的 某些 聚 球 藻 属 中 [8] 。Waterbury 等 [8] 首先 描述 了 聚 球 藻 的 泳 动 状况。 发生 泳 动 的 聚 球 藻成 球状 或 棒状, 直径 0.7-0.9 μm, 长度 1.25-2.5 μm, 其 在 液体 中 的 泳 动 速度 5-25 μm / s [8]。 聚 球 藻 绕 其 纵轴 旋转 并 移动, 增加 液体 环境 中的 黏度 可以 使其 降速 或 静止, 这些 聚 球 藻 可以 顺时针 旋转 也 可以 逆时针 旋转, 但 每个 细胞 只能 朝 一个 方向 旋转, 细胞 在 液体 中 可以 3—5 r / s 的 速度 旋转 [ 8]。 与 能够 在 潮湿 固体 表面 发生 蹭 动 或 滑动 的 蓝藻 不同, 在 液体 中 泳 动 的 聚 球 藻 不能 沿 潮湿 固体 表面 运动 [8]。

1.2 蓝藻 泳 动 相关 蛋白 及其 运动 机制 解释 模型

各种 实验 数据 表明 发生 泳 动 的 聚 球 藻 并不 像 某些 原核生物 (如 大肠杆菌, Escherichia coli) 一样 具有 鞭毛, 敲 除 聚 球 藻 WH8102 中 对 某些 蓝藻 (如 集 胞 藻) 蹭 动 具有 重要 作用 的 Ⅳ 型 菌毛 合成 相关 基因 同源 基因pilTpilC也不 影响 其 泳 动, 说明 聚 球 藻 泳 动 不 依靠 鞭毛 或 Ⅳ 型 菌毛, 其 泳 动 机制 与 具有 鞭毛 或 Ⅳ 型 菌毛 的 原核生物 并不 相同 [7]。 在 聚 球 藻 WH8102 中, 通过 转 座子 突变 及 表 型 筛选 实验, 发现 一种 命名 为 SwmA (proteína A de motilidad de natación), 分子量 为 130 kD, 构成 细胞 capa S 的 糖 蛋白 对 细胞 泳 动 时 推力 的 产生 具有 重要 作用,该 蛋白 含有 多个 钙 离子 结合 结构 域 及 潜在 糖 基 化 位 点, 其 编码 基因 的 敲 除 会使 细胞 丧失 在 液体 中 移动 的 能力, 但 不会 影响 聚 球 藻 细胞 自身 的 转动 [9, 10] 。 该 藻 中 另外 一种 分子量 为 1.12 MD, 位于 细胞 表层 并 呈 点 状 分布 的 蛋白 SwmB 对 聚 球 藻 WH8102 的 泳 动 过程 也是 必需 的, SwmA 和 SwmB 都 位于 细胞 表层, SwmB 编码 基因 突变影响 SwmA 分布 [11]。 通过 转 座子 突变 实验 还 发现 聚 球 藻 WH8102 基因 组 上 有 2 个 基因 簇 (sincronizar0087-sincronizar0088 及sincronizar0192-sincronizar0195) 对该 藻 泳 动 是 必需 的, 其中sincronizar0087 和sincronizar0195 编码 糖 基 转移 酶, sincronizar0193 编码 Ⅰ 型 分泌 系统 中 的 ABC 转运 子, sincronizar0194 编码 Ⅰ 型 分泌 系统 中 的 膜 融合 蛋白, 这些 基因 编码 蛋白 通过 影响 SwmA 合成 或 分布 进而 影响 细胞 泳 动 [12]。 该 藻 基因 组 上 还 编码 一种 细胞 骨架 类似 蛋白, 命名 为 MreB (Membrana proteína asociada que determina la forma de la barra B) 类似 蛋白, 该 蛋白 可能 对 聚 球 藻 WH8102 的 泳 动 过程 具有 重要 作用 [7]。 而 在 另外 一种 发生 泳 动 的 聚 球 藻 WH8113 (Synechococcus sp. WH 8113) 中, 培养基 中 钠 离子 及 钙 离子 浓度 对该 藻 的 泳 动 过程 至关重要 [13, 14], 表明 这 2 种 离子 可能 与 聚 球 藻 泳 动 时 动力 供应 或 泳 动 相关 蛋白功能 发挥 有关。

关于 聚 球 藻 如何 在 缺少 鞭毛 等 亚 细胞 结构 情况 下 泳 动 有 一种 解释, 即 细胞 外 膜层 收缩 和 扩张 产生 波动 从而 使 细胞 在 液体 中 泳 动 [15]。 该 波动 过程 产生 机理 有 2 种模型 解释 (图 1): 一种 是 钙 离子 去 极化 过程 使 细胞 表层 产生 局部 膜 膨胀 并 回缩, 进而 沿 膜 表层 传播 产生 波动, 从而 推动 细胞 运动 (图 1A) [14] 另 一种 是参考 黄色 黏 球菌 的 单个 细胞 运动 过程 [16 - 18], 该 模型 认为 聚 球 藻 细胞 内 动力 蛋白 及 其他 运动 相关 蛋白 的 蛋白 复合 体 形成 跨 质膜 结构, 复合 体 位于 胞 内 的 结构 沿着胞 内 骨架 蛋白 (如 MreB 类似 蛋白) 形成 的 轨道 发生 连续 闭环 运动, 并 带动 复合 体 位于 周 质 空间 部分 使 细胞 肽 聚糖 层 及 外膜 产生 波动, 进而 推动 细胞 运动 (图 1B) [16 - 18]。 这 2 种 模型 的 提出 均 基于 已有 的 实验 结果, 但 对这 2 种 模型 的 验证 均 需要 更多 的 实验 证据。 另外 聚 球 藻 在 泳 动 时 发生 自身 转动 的 机制 并不 清楚。

图 1 海洋 聚 球 藻 细胞 表层 波动 产生 泳 动 的 模式 图 [14, 16 - 18] Figura 1. Modelos para causar olas en la superficie y natación de marinos. Synechococcus celdas [14, 16 - 18]

1.3 蓝藻 泳 动 意义

发生 泳 动 的 聚 球 藻 是 从 热带 或 亚热带 开阔 大洋 中 分离 获得 [8, 19], 这些 地方 光照 充足, 但 营养 盐浓度 (尤其 生物 可 利用 氮源) 含量 较低, 营养 盐浓度 通常 是 限制自 养 生物 生物 量 的 主要 因素 [20, 21]。 在 这些 区域 动物 粪便 或 大型 浮游植物 残骸 形成 富含 营养 的 微 斑块 或 微 聚集 体 对 营养 元素 循环 利用 具有 重要 作用 [22]。 聚 球藻 泳 动 可能 使 细胞 对 环境 中 的 不同 营养 物质 浓度 作出 反应, 靠近 富含 营养 的 微 斑块 或 微 聚集 体, 促进 自身 生长 。Willy 等 [23] 在 实验室 条件 下 探究 过 聚 球 藻 对23种不同化合物是否存在因为浓度不同而形成的趋化运动现象, 发现聚球藻细胞对环境中不同浓度的NH4Cl、NaNO3、尿素、甘氨酸和丙氨酸有响应, 细胞会向化合物浓度较高的区域泳动, 暗示聚球藻细胞在自然环境中会通过泳动获得更有利的营养环境。Willy等 [ 24 ] 也探究过聚球藻泳动是否受光照影响, 发现当快速改变环境中光照强度时, 聚球藻细胞泳动速度和方向并未改变, 将泳动细胞置于光强成连续梯度变化的环境中时, 聚球藻细胞并未产生趋光运动或避光运动现象, 说明光照改变对聚球藻细胞泳动过程影响较小。聚球藻泳动能否帮助自己躲避捕食者捕食? Strom等 [ 25 ] 通过对比野生型聚球藻WH8102和swmAswmB突变株被纤毛虫, 鞭毛虫, 尖尾藻捕食频率发现泳动对细胞降低被捕食率没有显著影响。关于聚球藻泳动对自身的意义需要更多的自然环境下的证据支持。

2 蓝藻蹭动

2.1 蓝藻蹭动现象描述

蓝藻蹭动现象是法国巴斯德研究中心的几个研究组首次发现的, 其中对淡水单细胞蓝藻集胞藻蹭动研究尤为细致 [ 26 , 27 ] 。集胞藻在潮湿固体培养基平板(琼脂浓度0.4%—0.8%)上会展现出较慢的蹭动速度, 通常1—2 μm/min [ 28 ] 。如果将细胞置于单侧光照条件下, 细胞就会展现出向光源方向移动的能力, 也称为趋光运动 [ 7 , 28 , 29 ] 。在几种单细胞蓝藻中报道过趋光运动现象, 其中嗜热聚球藻(Thermosynechococcus elongatus)在不同光质及光强条件下趋光运动反应不同, 例如在低光强条件下[3 μmol photons/(m 2 ·s)], 只有红光区展现出趋光运动现象, 而当光强为10 μmol photons/(m 2 ·s)时, 藻细胞在530、570、640和680 nm波段均展现出明显趋光运动 [ 30 ] 。近期Yang等 [ 31 ] 从野外环境中分离到一株聚球藻UTEX3055(Synechococcus elongatus strain UTEX3055), 其基因组序列与聚球藻PCC7942(Synechococcus elongatus PCC7942)相似度达98.5%, 也可发生趋光运动。集胞藻在极微弱光照条件下 [约0.001 μmol photons/(m 2 ·s)] 就能引发趋光运动, 约1 μmol photons/(m 2 ·s) 光照强度即达到趋光运动饱和光强 [ 28 , 32 ] 。由于集胞藻存在不同亚种, Fiedler等 [ 33 ] 探究了来自不同实验室的4种集胞藻的运动情况, 发现有一种野生型集胞藻丧失了运动能力, 另外3种野生型藻株在白光和蓝光条件下展现出不同的运动情况。在单侧白光照射条件下, 3种藻株展现出类似的趋光运动性质, 但它们在单侧蓝光照射条件下的趋光运动能力较白光下均受到不同程度的抑制, 其中的一种野生藻株在单侧蓝光照射条件下完全不发生趋光运动 [ 33 ] 。实验室中模拟自然界较复杂光照条件下集胞藻的趋光运动情况发现, 红光和绿光主要影响集胞藻细胞运动方向, 但对细胞运动速度影响不大, 而蓝光显著抑制细胞运动。当集胞藻细胞接受不同方向的单侧红光照时, 细胞会沿着光照方向矢量和运动, 而当同时给予单侧绿光和蓝光照射时, 集胞藻细胞会根据两种光的强度比实时调整运动方向及生长状态, 说明集胞藻细胞在复杂光环境条件下可以整合光照信号并通过运动作出反应 [ 34 ] 。

2.2 集胞藻参与趋光运动相关蛋白及其作用机制

根据集胞藻中参与趋光运动过程的蛋白功能划分, 可将它们分为三类: 第一类是Ⅳ型菌毛蛋白复合体结构及组装相关蛋白, 它们是蹭动现象发生的结构基础 第二类参与趋光运动光信号感应及光信号传递, 感光蛋白通常含有光响应结构域 第三类间接参与蹭动过程调节, 这类蛋白并不直接参与到Ⅳ型菌毛蛋白复合体组成及组装, 但会在转录或转录后水平直接或间接调节Ⅳ型菌毛蛋白复合体形成相关蛋白的表达或修饰, 进而影响细胞蹭动, 或者通过影响细胞其他生命活动间接影响细胞运动, 此类蛋白缺失也会使细胞丧失蹭动能力。

直接参与集胞藻Ⅳ型菌毛蛋白复合体形成蛋白 与高等植物叶绿体响应光照发生运动需要叶绿体微丝蛋白参与不同 [ 35 ] , 集胞藻发生蹭动的结构基础与某些革兰氏阴性菌(如黄色黏球菌)类似, 需要Ⅳ型菌毛蛋白复合体参与 [ 29 , 36 ] 。Ⅳ型菌毛伸展、栓系、收缩是实现蹭动的结构基础 [ 37 - 41 ] 。Bhaya等 [ 29 ] 首先发现集胞藻表层有Ⅳ型菌毛类似结构, 直径为6—8 nm, 长度为4—5 μm, 称为粗菌毛。后续研究表明粗菌毛即为Ⅳ型菌毛 [ 42 ] 。近期Chen等 [ 43 ] 对集胞藻Ⅳ型菌毛具有的多种生物学功能最新研究进展进行了综述, 此处只关注Ⅳ型菌毛与集胞藻运动的关系。根据对黄色黏球菌、铜绿假单胞菌等其他细菌Ⅳ型菌毛合成必需蛋白序列同源性比对, 发现集胞藻中直接参与Ⅳ型菌毛的合成蛋白编码基因有pilA1(sll1694)、pilA9(slr2015)、pilA10(slr2016)、pilA11(slr2017)、pilB1(slr0063)、pilC(slr0162)、pilD(slr1120)、pilT1(slr0161)、pilM(slr1274)、pilN(slr1275)、pilO(slr1276)和pilQ(slr1277) [ 42 , 44 ] 。PilA(Pilus assembly protein A, PilA)是Ⅳ型菌毛构成的基本亚基, 集胞藻中有11个PilA 同源蛋白, 其中PilA1是集胞藻Ⅳ型菌毛的基本构成亚基 [ 42 ] 。参考其他革兰氏阴性菌Ⅳ型菌毛合成模式, PilA合成后在运输至胞外的过程中, 其N端带正电的前导肽被肽酶及甲基化酶PilD切除并甲基化, 然后以螺旋状排列方式装配到菌毛基部 [ 45 - 48 ] 。pilA1缺失会使集胞藻表层Ⅳ型菌毛完全消失, 同时细胞完全丧失运动能力 [ 42 ] 。PilA2- PilA8氨基酸序列与PilA1有一定同源性, 但PilA2- PilA8编码基因突变并不会影响集胞藻Ⅳ型菌毛合成, 也不影响细胞运动 [ 44 ] 。PilA9、PilA10和PilA11被称为少量菌毛亚基, 这些菌毛亚基N端也有前导肽, 它们合成后可能被分泌到胞外辅助PilA1形成具有正常功能的Ⅳ型菌毛 [ 49 , 50 ] 。PilB与PilT为ATP水解酶, 它们均可形成六聚体环装结构, 通过水解ATP改变蛋白的构象从而将PilA亚基添加到菌毛上或从菌毛上解离下来, 进而实现菌毛的伸长或回缩 [ 38 , 41 , 51 - 56 ] 。集胞藻中PilB的同源蛋白PilB1编码基因突变会使细胞表层Ⅳ型菌毛消失而丧失运动能力 [ 42 ] , PilT的同源蛋白PilT1编码基因突变会使细胞表层Ⅳ型菌毛数量显著增加, 但细胞也会丧失运动能力 [ 42 ] , 说明在集胞藻中PilB1与PilT1在Ⅳ型菌毛动态合成过程中发挥重要功能。PilC位于质膜上, 有利于菌毛往外延伸或往内收缩并起到稳定菌毛的作用 [ 57 - 59 ] 。PilM与PilN、PilO在质膜上形成复合体, 在稳定菌毛动态形成的过程中发挥功能 [ 60 , 61 ] 。PilM还可与PilC、PilB和PilT发生动态相互作用, 而PilN可通过与PilM相互作用调节PilM的互作对象 [ 62 ] 。PilQ在外膜上形成多聚体孔状结构, 使Ⅳ型菌毛延伸至胞外 [ 63 , 64 ] 。另外, 集胞藻中存在一种RNA伴侣蛋白同源蛋白Hfq(Host factor for RNA phage Q beta replication), 该蛋白可以与集胞藻中PilB1的C末端发生相互作用, 共同作用于Ⅳ型菌毛动态合成过程中 [ 65 - 67 ] 。集胞藻Ⅳ型菌毛合成组装参与蛋白及其功能总结如 表 1 所示。 图 2 中集胞藻Ⅳ型菌毛合成参考其他革兰氏阴性菌Ⅳ型菌毛合成过程。

基因编号
Código
基因名称
Gene name
功能概述
Función
sll1694pilA1Ⅳ型菌毛组成主要亚基
slr2015pilA9Ⅳ型菌毛组成辅助亚基
slr2016pilA10Ⅳ型菌毛组成辅助亚基
slr2017pilA11Ⅳ型菌毛组成辅助亚基
slr0063pilB1ATP水解酶, 作用于菌毛伸长
slr0161pilT1ATP水解酶, 作用于菌毛缩短
slr0162—0163pilCⅣ型菌毛合成质膜平台复合体亚基
slr1120pilD菌毛亚基前导肽切除及N端甲基化
slr1274pilMⅣ型菌毛合成质膜平台复合体亚基
slr1275pilNⅣ型菌毛合成质膜平台复合体亚基
slr1276pilOⅣ型菌毛合成质膜平台复合体亚基
slr1277pilQⅣ型菌毛合成外膜孔状复合体亚基
ssr3341hfq辅助菌毛伸长
图2 集胞藻趋光运动感光信号转导及Ⅳ型菌毛合成模式图 Figure2. Photosensing signal transduction pathways in phototaxis and synthesis model of type Ⅳ pili in Synechocystis

Ⅳ型菌毛动态合成模型 关于Ⅳ型菌毛在细菌中具体如何伸长或收缩有两种模型解释。一种是旋转模型, 即PilC、PilM、PilN和PilO在质膜上形成菌毛合成平台复合体, 复合体面向细胞质部分嵌入PilB或PilT形成的六聚体腔内结构, 复合体位于质膜中部分位于动态合成的Ⅳ型菌毛基部。PilB或PilT六聚体结合并水解ATP时, 构象改变产生旋转运动, 带动质膜平台复合体蛋白及菌毛旋转, 并添加或解离下一个菌毛亚基, 使菌毛往外延伸或往内收缩 [ 55 , 56 , 68 ] 。另一种是压缩模型, 该模型认为PilC、PilM、PilN和PilO形成的菌毛合成质膜平台复合体作为控制菌毛亚基添加到菌毛上或从菌毛上解离下来的开关门。当平台处于开放状态时, 菌毛亚基可以结合到菌毛基部, 菌毛基部亚基也可以从菌毛上解离下来 当PilB或PilT六聚体结合并水解ATP时, 促使平台处于关闭状态, 产生的挤压力使菌毛往外延伸或往内收缩, 同时平台面向另一角度开放, 并进行下个循环, 但该过程中菌毛本身不会发生旋转 [ 54 , 56 ] 。

参与集胞藻光信号感应及传导相关蛋白 蓝藻实现趋光或避光运动的光信号转导途径一直是研究者力求解答的问题。近期研究表明球形单细胞蓝藻(如集胞藻)感光原理类似透镜聚光作用, 当单侧光透过细胞一侧后会汇聚于细胞背光侧表层并形成明亮光斑, 蓝藻中感光蛋白(蓝藻型光敏色素或其他感光蛋白)感应该处光斑, 并可能通过构象改变或与其他信号传递蛋白互作将光照信号往下游传递, 调控Ⅳ型菌毛在细胞表层的合成及分布, 可能使背光一侧Ⅳ型菌毛合成受阻, 向光一侧Ⅳ型菌毛合成增强, 最终实现趋光运动 [ 69 ] 。而当球形单细胞蓝藻表层靠近光源一侧接收光强强度大于细胞背光侧表层光斑时, 蓝藻中感光蛋白感应新的光信号并将信号往下游传递, 使细胞背光侧Ⅳ型菌毛合成增强, 细胞会发生避光运动 [ 69 ] 。集胞藻基因组上存在一些基因及基因簇在细胞感光并调控趋光运动方面发挥重要作用, 下面分别介绍。

集胞藻基因组上存在一个基因簇sll0038-sll0039-sll0040-sll0041-sll0042-sll0043, 其中基因命名为pixG(taxP1)-pixH (taxY1)-pixI (taxW1)-pixJ1 (taxD1)-pixJ2 (taxD’1)-pixL (taxAY1), 除pixI (taxW1)外, 该基因簇中基因突变会使细胞在单侧白光 [10 μmol photons/(m 2 ·s)] 照射条件下产生避光运动(向与光源方向相反一侧运动), 而野生型细胞在相同条件下发生趋光运动 [ 70 , 71 ] 。该基因簇编码蛋白与某些具有鞭毛的革兰氏阴性细菌(例如大肠杆菌)中调控细胞趋化运动信号转导相关蛋白有相似之处, 但也有明显不同。以大肠杆菌为例, 在趋化运动过程中具有MCP(Methyl-accepting chemotaxis protein)-signal和TarH结构域的蛋白通过与配体(化合物或结合化合物的蛋白)结合情况改变自身构象感应外界化学物质浓度变化, 通过CheW(Chemotactic W)与具有组氨酸激酶结构域可以自磷酸化的CheA相互作用, 促使CheA自磷酸化, CheA可以将磷酸化基团传递给CheY, 磷酸化的CheY可以与鞭毛动力蛋白相互作用, 调节鞭毛转动方向进而影响细胞运动方向 [ 72 ] 。集胞藻该基因簇中PixJ1(Phototaxis J1)/TaxD1(Chemotaxis-like D1)与PixJ2都含有MCP-signal结构域, 该结构域在细菌趋化运动中通过甲基化或去甲基化状态传递外界环境中化学物质浓度变化信号, 但氨基酸序列比对发现PixJ1和PixJ2所含MCP-signal结构域中缺少甲基化或去甲基化相关的几个关键氨基酸位点, 结合集胞藻突变株表型分析说明含该结构域蛋白在集胞藻趋光运动信号传递中同样发挥重要作用, 但具体信号转导途径与细菌趋化运动存在差异。PixJ1含有2个跨膜结构域, 可能定位于细胞质膜上, 这点与大肠杆菌中感应外界化学物质浓度的含MCP-signal和TarH结构域蛋白(例如Tar, Taxis toward aspartate and related amino acids)类似, 但PixJ1含有GAF(cGMP-specific phosphodiesterases, Adenylyl cyclases and FhlA, GAF)结构域并可结合发色团, 响应蓝光和绿光, 这与Tar含有TarH结构域结合配体感应外界化学物质浓度不同 [ 73 , 74 ] 。集胞藻该基因簇中PixI(TaxW1)与CheW同源, pixI (taxW1) 突变 并不 影响 集 胞 藻 细胞 趋 光 运动, 说明 其 在 集 胞 藻 趋 光 运动 信号 传递 过程 中 并非 必需 。PixL (TaxAY1) 与 CheA 同源, PixG (TaxP1) 、 PixH (TaxY1) 与 CheY 同源, 且 这 3 个 蛋白 编码 基因 突变 细胞 会 发生 避光 运动 [70, 71], 说明 这 3 个 蛋白 在 集 胞 藻 趋 光 运动 信号 传递 中 是 必需 的 。PixG (TaxP1) 在 蓝藻 中 属于 PatA家族 蛋白, 除 含有 CheY 具有 的 Response-reg 结构 域外, 还 含有 PATAN 结构 域, 该 结构 域 的 具体 功能 还不 是 十分 清楚, 但 近期 研究 表明 含有 该 结构 域 的 PixE (也 属于 PatA 家族 蛋白, 下文 详细介绍) 可以 与 集 胞 藻 Ⅳ 型 菌毛 合成 动力 蛋白 PilB1 直接 相互作用, 调控 Ⅳ 型 菌毛 合成 及 蹭 动 方向 [75], 说明 集 胞 藻 中 PatA 家族 蛋白 在 趋 光 运动 中 所 行使 功能 类似CheY 在 大肠杆菌 趋 化 运动 中 的 作用, 负责 环境 信号 与 动力 蛋白 的 直接 关联 。PixJ1 (TaxD1) 、 PixJ2 (TaxD′1) 、 PixL (TaxAY1) 、 PixG (TaxP1) 和 PixH (TaxY1) 可以 在 集胞 藻 中 形成 感光 信号 转 导 通路, 并 通过 调控 Ⅳ 型 菌毛 合成 促使 细胞 发生 趋 光 运动 行为。 具体 信号 通路 需要 进一步 研究。

集 胞 藻 基因 组 上 编码 一个 蓝光 受体 蛋白 PixD (Fototaxis D, Slr1694), 该 蛋白 含有 BLUF (Luz azul con FAD) 结构 域, 可以 结合 FAD (Dinucleótido de adenina flavina) 响应 蓝光 [76, 77]。 敲除 该 基因 后 会使 集 胞 藻 在 较弱 单侧 光 [如 5—100 μmol fotones / (m 2 · s) 白光, 或 0,7 μmol fotones / (m 2 · s) 红光, 或 5 μmol fotones / (m 2 · s) 远 红光 、 黄光 与 绿光] 照射 下 产生 避光 运动, 而 野生 型 细胞 在 相同 条件 下 均 发生 趋 光 运动 [76, 77], 说明pixD基因 敲 除 会 触发 细胞 在 较弱 单侧 光 照射 下 产生 避光 运动 的 信号 转 导 。PixD 作为 蓝光 受体, 其 缺失 突变 株pixD - 在 单侧 较弱 光照 条件 下 表 型 与pixJ1 - 突变 株 类似, 但 它 与 PixJ1 在 调控 细胞 趋 光 运动 中 的 信号 转 导 机制 显然 不同。 体内 及 体外 蛋白 相互作用 实验 结果 表明, PixD 可 与其 上游 基因 编码 蛋白 PixE (Fototaxis E, Slr1693) 相互作用, 且 其 互 作 方式 受 光照 条件 而 发生 变化。 在 黑暗 条件 下, 二者 可 形成 PixD10-PixE5(或 PixD10-PixE4) 复合 体 当 接受 强光 [约 997 μmol fotones / (m 2 · s) 白光] 照射 后, 该 复合 体 解 聚 为 PixD 二聚体 及 PixE 单体, 暗示 PixD 与 PixE 在 不同 光照 条件 下 的 互作 方式 在 集 胞 藻 趋 光 或 避光 运动 光 信号 传递 中 具有 重要 功能 [77 - 80]。 进一步 研究 发现, 在 80 μmol fotones / (m 2 · s) 单侧 白光 照射 下, pixE - 单 突变 株 及pixDmi - 双 突变 株 均 与 野生 型 藻 株 发生 类似 的 趋 光 运动, 而 该 条件 下pixD - 单 突变 株 发生 避光 运动 在 243 μmol fotones / (m 2 · s) 蓝光 照射 条件 下 野生 型 集 胞 藻 会 发生 避光 运动, 而pixDmi - 双 突变 株 会 发生 趋 光 运动, 结合 PixD 与 PixE 在 不同 光照 条件 下 的 差异 互 作 方式, 推测 PixE 单体 数量 是 细胞 在 单侧 光照 条件 下 发生 趋 光 或 避光 运动 的 重要 影响 因素 [ 81]。 在 单侧 光照 较弱 时 [如 80 μmol fotones / (m 2 · s) 单侧 白光], 野生 型 细胞 内 PixD 与 PixE 绝大多数 以 复合 体 的 形式 存在, 此时 PixE 无法 与 Ⅳ型 菌毛 合成 动力 蛋白 PilB1 相互作用 [81], 细胞 内 感光 蛋白 (可能 为 PixJ1) 感应 单侧 光照 后 通过 信号 转 导 途径 调控 细胞 表层 Ⅳ 型 菌毛 在 光照 一侧 合成 相对 增多, 促使 细胞 发生趋 光 运动。 而 在 相同 条件 下, pixD敲 除 会使 突变 株 细胞 内 PixE 单体 含量 增加, PixE 定位 于 细胞 质膜 周围 可以 直接 与 PilB1 相互作用, 从而 调控 细胞 表层 Ⅳ 型 菌毛 在 背光 一侧 合成 增多, 细胞 发生 避光 运动 [75, 81]。 对比 较弱 单侧 光 照射, 在 单侧 较强 蓝光 照射 时 [如 243 μmol fotones / (m 2 · s)], 野生 型 集 胞 藻 内 PixD 感应 蓝光 后 与 PixE 解 聚, PixE 单体 含量 增加 会 与 PilB1 相互作用, 从而 调控 细胞 表层 Ⅳ 型 菌毛 在 背光 一侧 合成 相对 增多, 细胞 发生 避光 运动。 该 较强 蓝光 条件 下, pixDmi - 双 突变 株 细胞 内 感光 蛋白 (可能 为 PixJ1) 感应 光照 信号 后, 通过 信号 转 导 途径 调控 细胞 表层 Ⅳ 型 菌毛 在 光照 一侧 合成 相对 增多, 细胞 发生 趋 光 运动。 近期 集 胞 藻 单 细胞水平 感光 实验 结果 表明: 在 单侧 超强 蓝光 [1200 μmol fotones / (m 2 · s)] 照射 条件 下, 野生 型 集 胞 藻 细胞 仍会 发生 避光 运动, 而pixD - 突变 株 细胞 在 该 蓝光 照射 条件 下 随机 蹭 动, 未 展现 出 运动 方向性, 说明 PixD 在 集 胞 藻 细胞 感应 超强 蓝光 发生 避光 运动 过程 中 具有 重要 作用 [82]。 在 该 条件 下,野生 型 集 胞 藻 细胞 发生 避光 运动 的 机制 可能 与 在 单侧 较强 蓝光 照射 时 类似, 而pixD突变 后 为何 细胞 仅 发生 随机 蹭 动, 而 不像 在 单侧 较弱 光照 条件 下 时 发生 避光 运动, 产生 该 现象 的 机制 仍 不清楚。 综合 上述 结果 可知, 集 胞 藻 应对 不同 光 质 与 光强 而 作出 的 细胞 趋 光 或 避光 运动 的 调控 方式 精细 而 复杂。 通过 感受 不同 光 信号 实时 改变 PixD 与 PixE 的 互 作 方式, 进而 精密 调节 PixE 单体 与 Ⅳ 型 菌毛 合成 动力 蛋白 PilB1 的 相互作用, 从而 调控 Ⅳ 型 菌毛 在 细胞 表层 的 分布 情况, 实现 细胞 在 不同 条件 下 的 趋 光 或 避光 运动。 该 信号 转 导 通路 组成 蛋白 与 转 导 途径 与 某些 具有 鞭毛 的 革兰氏阴性细菌 调控 细胞 趋 化 运动 的 信号 转 导 通路 显 著 不同, 是 集 胞 藻 为 适应 外界 复杂 光 环境 而 形成 的 新 的 信号 转 导 通路。

集 胞 藻 基因 组 上 存在 一个 基因 簇slr1212-slr1213-slr1214 在 感应 UV-A (Ultravioleta A) 并 调控 细胞 运动 过程 中 发挥 重要 作用, 该 基因 簇 三个 基因 分别 命名 为uirS-uirR-lsiR, 其中 任何 一个 基因 突变 都会 使 细胞 向 单侧 UV-A [25—100 μmol fotones / (m 2 · s)] 照射 方向 运动 (趋 光 运动), 而 野生 型 集 胞 藻 细胞 在 相同 条件 下 向UV-A 照射 反 方向 运动 (避光 运动) [83]。 该 信号 转 导 途径 属于 典型 的 二元 信号 转 导 途径, UirS (sensor de respuesta de intensidad UV) 预测 含有 4 个 跨膜 结构 域, 推测 可能 定位于 细胞质 膜上。 其 含有 GAF 结构 域, 可以 结合 发 色 团 后 感应 UV-A (或 紫光) 和 绿光 [83 - 85] 。UirS 同时 含有 HisKA 和 HATPase-c 结构 域, 含有 此类 结构 域的 蛋白 通常 可以 形成 二聚体 并 催化 自身 组 氨酸 残 基 磷酸 化, 并将 该 高能 磷酸 基 团 转移 到 具有 Response-reg 结构 域 的 蛋白 中 。UirR 为 AraC 家族 转录 调控 因子, 含有 Response-reg和 HTH (Helix-Turn-Helix) 结构 域。 蛋白 相互作用 实验 证明 UirS 可以 与 UirR (Regulador de respuesta de intensidad UV) 发生 相互作用 [83]。 该 基因 簇 中 编码 的 另外 一个 蛋白 LsiR (Respuesta integradora de luz y estrés Regulador) 为 PatA 家族 蛋白, 含有 Response-reg 及 PATAN 结构 域, 该 家族 蛋白 PixE 已 证实 可以 与 集 胞 藻 Ⅳ 型 菌毛 合成 动力 蛋白 PilB1 相互作用, 调控 细胞 表层 Ⅳ 型 菌毛 合成 及 趋 光 运动方向 [75], 推测 LsiR 与 PixE 功能 类似。 转录 谱 实验 表明 在 85 μmol fotones / (m 2 · s) 单侧 UV-A 照射 时, uirSuirR突变 株 中lsiR表达 量 显 著 低于 野生 型, 说明lsiR低 表达 是 使 突变 株 在 该 条件 下 趋 光 运动 的 主要原因 [83]。 综合 以上 实验 结果 推测, 在 16 μmol fotones / (m 2 · s) 单侧 绿光 、 红光 或 & lt5 μmol fotones / ( m 2 · s) UV-A 照射 时, UirS 可以 与 UirR 在 质膜 上 形成 复合 体, 此时 UirR 无法 结合 到 该 基因 簇 中 的lsiR基因 启动 子 区, 使lsiR无法 表达 而 发挥 功能, 细胞 表现 出 趋 光 运动表 型。 当 UirS 接收 单侧 较强 UV-A [25—100 μmol fotones / (m 2 · s)] 照射 后, 构 象 发生 改变 并 发生 自 磷酸 化, UirR 会 与 UirS 分离 并将 磷酸 基 团 转移 至 UirR 中 Response-reg 结构 域, 激活 UirR 转录 活性, UirR 结合 到lsiR启动 子 区 发挥 转录 激活 功能 [83], 合成 LsiR 通过 与 Ⅳ 型 菌毛 合成 动力 蛋白 PilB1 相互作用, 调控 Ⅳ 型 菌毛 在 背光 侧 动态 合成 从而 发生 避光 运动。 当然 该 信号 转 导 通路 中 的一些 具体 细节 例如 UirS 的 自 磷酸 化 以及 将 磷酸 基 团 向 UirR 的 转移, LsiR 与 PilB1 的 相互作用 都 需要 进一步 证实。

集 胞 藻 中 蓝藻 型 光敏 色素 Cph2 (proteína similar al fitocromo de las cianobacterias2) 编码 基因 突变 后 细胞 会 向 单侧 蓝光 [0,45—1,3 μmol fotones / (m 2 · s)] 或 UV-A [10 μmol fotones / (m 2 · s)] 照射 方向 运动, 而 野生 型 细胞 在 相同 条件 下 静止不动, 说明 Cph2 在 抑制 细胞 向 单侧 蓝光 及 UV-A 方向 运动 的 过程 中 发挥 功能 [86, 87] 。Cph2 的 N端 GAF 结构 域 可 结合 发 色 团 后 响应 红光 及 远 红光, C 端 GAF 结构 域 结合 发 色 团 后 响应 蓝光 及 绿光 [88 - 91]。 同时 Cph2 的 C 端 还 含有 二 鸟 苷 酸环 化酶 结构 域 GGDEF 及 环 化 二 鸟 苷 酸 磷酸酯 酶 结构 域 EAL, 这 两个 结构 域 可以 分别 促进 两个 三 磷酸 鸟 苷 (GTP, trifosfato de guanosina) 环 化 形成 c-di-GMP 或 环化 二 鸟 苷 酸 水解 形成 线性 分子 5′-pGpG, 从而 调控 胞 内环 化 二 鸟 苷 酸 含量 [91 - 93]。 实验 表明 位于 Cph2 C 端 的 GAF 和 GGDEF 结构 域 可以 响应 蓝光 后 催化 c-di -GMP 合成, 而 胞 内 c-di-GMP 含量 增加 会 抑制 细胞 运动 [91] 。Cph2 所含 EAL 结构 域 可以 水解 c-di-GMP, 降低 其 浓度 [91] 。Cph2 通过 感应 光 信号 调控 GGDEF和 EAL 结构 域 活性 控制 胞 内 c-di-GMP 含量 进而 影响 细胞 运动 [91]。 近期 研究 表明 Cph2 可以 通过 调控 胞 内 c-di-GMP 浓度 影响 运动 相关 基因 表达, 在 5 μmol fotones / (m 2 · s) 蓝光 照射 条件 下 野生 型 集 胞 藻 中 c-di-GMP 浓度 较 5 μmol fotones / (m 2 · s) 绿光 照射 条件 下 显 著 上升, pilA5-pilA6 基因 表达 显 著 下降, pilA9-pilA11 表达 量 显 著 上升, 而CPH2 突变 株 在 相同 条件 下 胞 内 c-di-GMP 浓度 未 发生 显 著 变化, 野生 型 细胞 在 蓝光 照射 时 运动 相关 基因 表达 模式 的 改变 如何 影响 细胞 运动 仍需 深入 研究 [94] 。c-di- GMP 含量 升高 后 如何 抑制 集 胞 藻 细胞 运动 的 机制 并不 清楚。 在 大肠杆菌 中, YcgR 蛋白 可以 在 结合 c-di-GMP 后 与 鞭毛 动力 蛋白 相互作用, 降低 鞭毛 运动 速率 [95, 96] 。 而 集 胞 藻 中 并不 存在 YcgR 同源 蛋白, 也 未有 关于 调控 运动 相关 蛋白 可以 结合 c-di-GMP 的 报道。 在 霍乱 弧菌 (Vibrio cholerae) 中 研究 表明 MshE (hemaglutinina E sensible a manosa) 型 ATP 酶 可以 与 c-di-GMP 结合 [97], 而 该 蛋白 在 集 胞 藻 中 的 同源 蛋白 即为 Ⅳ 型 菌毛 合成 动力 蛋白 PilB1,因此 推测 c-di-GMP 通过 与 PilB1 结合 影响 PilB1 功能 及 Ⅳ 型 菌毛 合成 进而 影响 集 胞 藻 运动。 近期 研究 表明 集 胞 藻 中 Slr1143 蛋白 含 GGDEF 结构 域 并可 催化 c-di-GMP 合成,该 结构 域 可 与 Cph2 的 C 端 GGDEF 及 EAL 结构 域 发生 相互作用, slr1143 突变 后 细胞 可 在 较强 [40 μmol fotones / (m 2 · s)] 红光 (640 nm) 条件 下 发生 趋 光 运动, 而 该 实验 所 用 野生 型 集 胞 藻 株 在 相同 条件 下 不会 发生趋 光 运动 [98] 。Slr1143 的 C 端 含有 GAF 结构 域, 其 是否 可以 结合 发 色 团 响应 红光 并不 清楚, 其 在 单侧 强 红光 照射 条件 下 抑制 细胞 运动 的 机制 需要 进一步 探究。

综上所述, 集 胞 藻 感应 光照 信号 后 通过 多种 信号 转 导 途径 将 信号 往下 传递, 并 最终 调控 Ⅳ 型 菌毛 合成 与 分布 进而 控制 细胞 运动 或 静止 (如 通过 Cph2 控制 胞 内 c- di-GMP 含量 调控) 或 产生 趋 光 或 避光 运动 (如 通过 PatA 家族 蛋白 PixE 、 PixG 、 LsiR 与 Ⅳ 型 菌毛 合成 动力 蛋白 PilB1 相互作用 调控)。 已 报道 光 信号 转 导 通路 最终 都是 通过调控 Ⅳ 型 菌毛 合成 蛋白 PilB1 实现 对 集 胞 藻 蹭 动 调控, 研究 表明 PilB1 在 集 胞 藻 运动 过程 中 定位 于 运动 方向 一侧 的 细胞 前端, 说明 PilB1 在 细胞 内 的 定位 对 细胞 完成 或 的避光 运动 行为 具有 重要 作用 [99]。 而 调控 Ⅳ 型 菌毛 合成 的 另外 一个 动力 蛋白 PilT1 是否 参与 到 信号 转 导 途径 中 需要 进一步 研究。 集 胞 藻 中 还 存在 一个 PilT1 同源 蛋白 PilT2, PilT2编码 基因 突变 后 细胞 在 单侧 白光 照射 条件 下 会 产生 避光 运动 [42], 而 PilT2 本身 不含 感光 结构 域, 其 影响 细胞 趋 光 运动 的 机制 也 需要 进一步 揭示。 集 胞 藻 参与 趋 光 运动感光 与 信号 转 导 基因 及 功能 在 表 2 中 列出。

基因 编号
Código genético
基因 名称
Nombre del gen
蛋白 结构 域
Dominio
功能 概述
Función
参与 趋 光 运动 感光 基因
sll0041pixJ1, taxD1GAF, MCPsignal感应 蓝 绿光, 参与 趋 光 运动
sll0821CPH2GAF, GGDEF, EAL, PHY感应 红光 远 红光 及 蓝 绿光,
抑制 细胞 向 蓝光 和 UV-A 运动
slr1694pixDBLUF感应 蓝光, 参与 趋 光 运动
slr1212uirSGAF, PAS, HisKA, HATPase-c感应 UV-A 与 绿光,
参与 UV-A 照射 下 的 避光 运动
参与 趋 光 运动 信号 转 导 基因
sll0038pixG,
taxP1
Respuesta-reg, PATAN趋 光 运动 信号 转 导
sll0039pixH,
taxY1
Respuesta-reg趋 光 运动 信号 转 导
sll0042pixJ2,
taxD ’
MCPsignal趋 光 运动 信号 转 导
sll0043pixL,
taxAY1
CheW, Response-regHATPase-c, Hpt趋 光 运动 信号 转 导
slr1143cip1GAF, GGDEF抑制 趋 光 运动 信号 转 导
slr1693pixERespuesta-reg, PATAN趋 光 运动 信号 转 导
slr1213uirRRespuesta-reg, HTH-18转录 调控 因子, 避光 运动 信号 转 导
slr1214lsiRRespuesta-reg, PATAN避光 运动 信号 转 导
sll1533pilT2T2SSE, AAA-16趋 光 运动 信号 转 导

其他 调控 集 胞 藻 运动 相关 蛋白 集 胞 藻 中 还 存在 一些 蛋白 在 细胞 运动 中 起到 重要 作用, 这些 蛋白 并不 直接 参与 Ⅳ 型 菌毛 的 组成 或者 装配 过程, 但 这些 蛋白 可以 在 转录 或 转录 后水平 上 调控 直接 参与 Ⅳ 型 菌毛 的 组成 或者 装配 蛋白 的 表达 及 功能, 或者 参与 到 影响 细胞 运动 的 其他 过程。 这些 蛋白 编码 基因 的 突变 均 会使 集 胞 藻 细胞 丧失 运动 能力。

Sigma 因子 Bhaya 等 [29] 报道 集 胞 藻 中 SigF (factor Sigma F, SigF) 对 细胞 运动 是 必需 的, sigF突变 株 中 Ⅳ 型 菌毛 组成 亚基 PilA1 编码 基因 表达 量 显 著 降低, 细胞 表层 Ⅳ 型 菌毛 消失, 细胞 丧失 运动 能力。

腺苷酸 环 化酶 及 cAMP 依赖 型 转录 调控 因子 集 胞 藻 中 腺苷酸 环 化酶 Cya1 (adenilato ciclasa 1, Slr1991) 突变 也 会使 细胞 丧失 趋 光 运动 能力, 而 在外 源 添加 cAMP (adenosina cíclica monofosfato) 后, cya1 突变 株 恢复 趋 光 运动 能力, 说明 第二 信使 cAMP 及 腺苷酸 环 化酶 Cya1 在 调控 细胞 趋 光 运动 方面 具有 重要 功能 [100]。 集 胞 藻 中 cAMP 结合 蛋白 Sycrp1 (Synechocystis Proteína receptora de cAMP 1, Sycrp1) 对 细胞 运动 是 必需 的 [49] 。Sycrp1 作为 CRP (Proteína receptora de cAMP) 家族 转录 调控 因子, 含有 Unión de c-NMP 结构 域 及 HTH (Helix-Turn-Helix) 结构 域, 体外实验 表明 Sycrp1 的 unión de c-NMP 结构 域 可以 结合 cAMP [101]。sycrp1 突变 株 中 2 个 与 集 胞 藻 细胞 运动 相关 的 操纵 子 转录 水平 显 著 下调 [102]。 一个 是 编码 Ⅳ 型 菌毛 少量 菌 毛亚基 蛋白 的pilA9-pilA10-pilA11-slr2018 操纵 子 [102], 该 操纵 子 中 PilA9 、 PilA10 和 PilA11 直接 参与 到 Ⅳ 型 菌毛 装配 过程 中。 另外 一个 是slr1667-slr1668 操纵 子, 该 操纵 子 中 的 两个 基因 分别 命名 为cccScccP, 这 两个 基因 的 突变 株 表层 Ⅳ 型 菌毛 数 显 著 减少 并且 均 丧失 了 运动 能力 [102, 103]。 免疫 胶体 金 技术 证明 CccS 主要 定位 于 细胞 表层, CccP 主要 定位 于 周 质 空间, 这 2个 蛋白 可能 对 集 胞 藻 细胞 表层 结构 形成 具有 重要 作用 [103]。 近期 研究 表明 Slr1668 可能 作为 一套 转运 系统 的 重要 组分 对 少量 Ⅳ 型 菌 毛亚基 分泌 起作用 [104] 。Sycrp1 可以 直接 结合 到slr1667-slr1668 操纵 子 启动 子 区域 调控 该 启动 子 表达 [102]。 集 胞 藻 中 存在 一个 与 Sycrp1 具有 较高 同源 性 的 蛋白 Sycrp2 (Synechocystis Proteína receptora de cAMP 2), 体外 实验 表明 Sycrp2 中 Unión de c-NMP 结构 域 无法 与 cAMP 结合 [101], 但sycrp2 突变 株 也会 影响 集 胞 藻 运动 情况 [94, 105]。 进一步 研究 表明sycrp2 突变 株 中pilA9-pilA10-pilA11-slr2018 操纵 子 转录 水平 显 著 下调, 且 Sycrp2 可以 与 Sycrp1 发生 相互作用, Sycrp1 可以 直接 结合 到pilA9-pilA10-pilA11-slr2018 操纵 子 的 启动 子 区, Sycrp2 与 Sycrp1 以 异 源 二聚体 的 形式 共同 调控 该 操纵 子 表达, 进而 影响 细胞 运动 [105]。 由 上述 实验 结果 可知, cAMP 通过 与 CRP 家族 转录 调控 因子 Sycrp1 结合实现 对 影响 Ⅳ 型 菌毛 合成 相关 基因 转录 水平 的 调控 是 cAMP 调控 集 胞 藻 趋 光 运动 的 一条 重要 途径。

信号 转 导 蛋白 集 胞 藻 基因 组 上 存在 一个 操纵 子slr1041-slr1042-slr1043-slr1044, 分别 命名 为pilG-pilH-pilI-pilJ。 该 操纵 子 中 相关 基因 突变 会 影响 细胞 表层 Ⅳ 型 菌毛 合成 进而 影响 细胞 运动 [106]。 其中pilG突变 会使 细胞 运动 能力 减弱, pilHpilIpilJ突变 会使 细胞 丧失 运动 能力, pilH突变 会使 细胞 表层 Ⅳ 型 菌毛 增多, pilIpilJ突变 会使 细胞 表层 Ⅳ 型 菌毛 显 著 减少 [106] 。PilG 属于 CheY 类似 蛋白, 并且 属于 PatA 家族 蛋白, PilH 属于 CheY 类似 蛋白, PilI 属于 CheW 类似 蛋白, PilJ 为 含有 MCP 结构 域 蛋白, 该 操纵 子编码 蛋白 种类 与pixJ2所在 操纵 子 类似, 但 缺少 直接 感光 蛋白, 其 调控 集 胞 藻 运动 机制 需要 进一步 研究。 另外, 依据 蛋白 序列 同源 性 比 对, 集 胞 藻 中 PilL 同源 蛋白 由 两个 独立 开放 阅读 框 编码,分别 是pilL-N(slr0073) 和pilL-C(slr0322)。pilL-N基因 突变 会使 细胞 表层 Ⅳ 型 菌毛 增多, 细胞 运动 能力 丧失 [106]。pilL-C基因 突变 会使 细胞 表层 Ⅳ 型 菌毛 几乎 消失, 细胞 运动 能力 丧失 [106] 。PilL-N 含有 Hpt (Fosfotransferencia que contiene histidina) 结构 域, 该 结构 域 在 二元 信号 转 导 过程 中 磷酸 基 团 转移过程 中 发挥 重要 作用 。PilL-N 含有 H-kinase_dim, HATPase_c 及 Response-reg 结构 域, 这些 结构 域 在 二元 信号 转 导 过程 中 组 氨酸 激酶 二 聚 化, 自 磷酸 化 及 磷酸 基 团 转移 等方面 具有 重要 功能。 这 两个 蛋白 具体 怎样 影响 集 胞 藻 中 Ⅳ 型 菌毛 合成 并 影响 细胞 运动 需要 进一步 探究。

分子 伴侣 、 ABC 转运 子 、 丝氨酸 / 苏 氨酸 蛋白 激酶 和 未知 功能 蛋白 。Bhaya 等 [107] 利用 转 座子 随机 插入 突变 方式 在 集 胞 藻 中 筛选 到 很多 丧失 运动 能力 基因 突变 株, 这些 基因 包括sll0058、sll0415、sll0564、sll0565、sll1575, slr1301、slr1964、sll0183 和sll0301。 其他 研究 组 也 有 关于 基因 突变 导致 集 胞 藻 细胞 丧失 运动 能力 的 报道, 例如sll1384 和slr1443 [108, 109]。 这些 基因 分别 编码 不同 类型 蛋白 。Sll0058 属于 分子 伴侣 蛋白 Hsp70 (Familia de proteínas de choque térmico 70) 家族, Sll1384 属于 分子 伴侣 蛋白 Hsp40 (Familia de proteínas de choque térmico 40) 家族, 这 两个 蛋白 可能发生 相互作用 并 共同 影响 细胞 运动 相关 过程 。Sll0415 属于 ABC (casete de unión de ATP) 转运 子, 在 集 胞 藻 中 可能 参与 转运 影响 运动 相关 蛋白 。Sll1575 (SpkA, serina / treonina proteína quinasa A) 和 Slr1443 , Serina / treonina proteína quinasa E) 属于 真核生物 丝氨酸 / 苏 氨酸 蛋白 激酶 类似 蛋白, sll1575突变 会使 胞 内 少量 菌 毛亚基 编码 基因 操纵 子pilA9-pilA10-pilA11 转录 水平 显 著 下调, 进而 影响 细胞 运动 [110, 111]。slr1443 突变 会使 成熟 PilA1 的 数量 减少, 表明 Slr1443 可能 在 翻译 后 水平 影响 Ⅳ 型 菌 毛亚基 合成 进而 影响 细胞 运动 [108] 。Sll0564 属于 泛 醌 甲基 转移 酶 类似 蛋白 。Sll0565 编码ll 基因 在 基因 基因编码 基因 下游, Sll0565 富含 谷氨酸 和 谷氨酰胺 。Slr1301 也 富含 谷氨酸 和 谷氨酰胺, 并 可以 形成 螺旋 线圈 结构 。Slr1964 富含 谷氨酰胺 。Sll0183 和 Sll0301 含有 五 肽 重复 结构 域。 这些 蛋白 多数 属于 功能 未知 蛋白, 含有 一些 未知 功能 结构 域, 其 影响 细胞 运动 的 具体 机制 需要 进一步 研究。

2.3 聚 球 藻 参与 趋 光 运动 相关 蛋白 及其 作用 机制

聚 球 藻 趋 光 运动 机制 研究 较 集 胞 藻 少, Yang 等 [31] 从 野外 环境 中 分离 到 一株 聚 球 藻 UTEX3055 并 对其 趋 光 运动 机制 进行 了 深入 研究。 聚 球 藻 UTEX3055 基因 组 组聚 球 藻 PCC7942 相似度 达 98.5%, 但 与 聚 球 藻 PCC7942 不能 发生 运动 不同, 该 种 藻 可以 发生 趋 光 运动 [31]。 该 藻 基因 组 上 一个 由 六个 基因 构成 的 基因 簇UTEX3055_0945-0950, 对该 藻 的 趋 光 运动 具有 重要 作用 [31]。 该 基因 簇 与 集 胞 藻 中sll0038-sll0043 基因 簇 类似, 所 编码 蛋白 为 参与 某些 细菌 趋 化 运动 过程 同源 蛋白, 其中UTEX3055_0945-0946 编码 CheY 类似 蛋白, UTEX3055_0947、UTEX3055_0950 编码 Masticar 类似 蛋白, UTEX3055_0948 编码 含有 MCP 及 GAF 等 结构 域 蛋白, UTEX3055_0949 编码 CheA 类似 蛋白 [31]。UTEX3055_0945-0946 突变 细胞 丧失 趋 光 运动 能力, 在 50 μmol fotones / (m 2 · s) 单侧 白光 照射 条件 下 细胞 并未 向 光源 方向 移动, 野生 型 细胞 在 相同 条件 下 展现 出 趋 光 运动表 型[31]。 与 集 胞 藻sll0038-sll0043 基因 簇 中 相关 基因 突变 后 表 型 不同, UTEX3055_0945-0946 突变 细胞 并未 展现 出 避光 运动表 型 [31]。UTEX3055_0947, UTEX3055_0950 突变 并未 影响 细胞 趋 光 运动 能力 [31]。UTEX3055_0948 与UTEX3055_0949 突变 后 细胞 在 50 μmol fotones / (m 2 · s) 单侧 白光 照射 条件 下 丧失 趋 光 运动 能力, 但未 表现 出 避光 运动表 型 [31]。UTEX3055_0948 编码 蛋白 与 集 胞 藻 中 PixJ1 / TaxD1 类似 但 并不 相同, UTEX3055_0948 编码 蛋白 N 端 含有 5 个 GAF (编号 GAF1-5) 结构 域, 且 都 包含 在 发 色 团 结合 及 感光 方面 重要 作用 的 两个 半胱氨酸 残 基 [31]。 体外 表达 GAF2 发现 其可以 结合 发 色 团 响应 蓝光 和 绿光 [31]。 通过 组合 敲 除 不同 GAF 结构 域 发现, 同时 敲 除 5 个 GAF 结构 域 细胞 与UTEX3055_0948 突变 表 型 一致, 细胞 在 50 μmol fotones / (m 2 · s) 单侧 白光 照射 条件 下 不会 发生 趋 光 或 避光 运动, 单独 敲 除 GAF4 或 同时 敲 除 GAF4 及 GAF5 细胞 在 单侧 白光照射 条件 下 发生 避光 运动, 同时 敲 除 GAF1-3 或 GAF2-4 或 GAF1-4 或 GAF1-3, GAF5 细胞 在 单侧 白光 照射 条件 下 表现 出 与 野生 型 类似 的 趋 光 运动 现象, 暗示 聚球 藻 UTEX3055 通过 调控UTEX3055_0948 编码 蛋白 中 不同 GAF 结构 域 的 功能 调节 细胞 发生 趋 光 或 避光 运动 [31], 与 集 胞 藻 通过 多 条 信号 转 导 途径 调节 细胞 发生 趋 光 或 避光 运动 相比, 该 调节 途径 相对简单。 聚 球 藻 UTEX3055 中 是否 存在 其他 调控 细胞 趋 光 运动 的 信号 转 导 途径 需要 进一步 探究。 聚 球 藻 UTEX3055 细胞 呈 棒状, 但 其 感光 机制 可能 与 呈 球状 的 集 胞 藻 类似,一侧 射入 经 细胞 类似 透镜 汇聚 后 落 于 细胞 背光 侧 [31], 聚 球 藻 UTEX3055 细胞 内 感光 蛋白 (如UTEX3055_0948 编码 蛋白) 感应 光照 信号 并 通过 信号 转 导 途径 调控 细胞 发生 趋 光 或 避光 运动。

2.4 蓝藻 蹭 动 意义

蓝藻 借助 Ⅳ 型 菌毛 伸缩 沿 固体 表面 发生 蹭 动 响应 外界 环境 变化 并 作出 反应 是 长期 进化 形成 的 积极 适应 环境 变化 的 有效 策略。 蓝藻 作为 自 养 型 光合 放 氧 生物, 对 外界 环境 中 光照 及营养 盐 需求 较高, 淡水 单 细胞 蓝藻 生存 环境 较 开放 海洋 中 聚 球 藻 更为 复杂多变, 因此 其 通过 蹭 动 寻求 更为 有利 的 光照 或 营养 环境 对 实现 自身 更好 地 生长 尤为 重要。 对单 细胞 蓝藻 趋 光 运动 调控 机制 研究 较为 清晰, 单 细胞 蓝藻 类似 透镜 感应 光照 方向 并 通过 自身 感光 蛋白 感应 光照 信号, 通过 一系列 信号 转 导 途径 调控 细胞 表层 Ⅳ 型 菌毛 合成 及 分布, 进而 实现 细胞趋 光 或 避光 运动, 体现 了 单 细胞 蓝藻 响应 光照 并 作出 反应 的 精细 调控 过程。 目前 对 蓝藻 蹭 动 研究 主要 基于 实验室 数据, 并且 多数 为 对 单侧 光照 响应 (趋 光 或 避光 运动) , 蓝藻 是否 像 某些 细菌 (如 大肠杆菌) 一样 响应 化学 物质 浓度 存在 趋 化 运动 (利用 Ⅳ 型 菌毛) 反应 需要 进一步 研究。 在 集 胞 藻 中 UirS 除 可以 感应 光 信号 外, 还 可以 与 乙烯结合, 因此 该 蛋白 又 命名 为 SynEtr1 (Synechocystis Respuesta de etileno1), SynEtr1 结合 乙烯 的 结构 域 为 位于 N 端 的 3 个 跨膜 结构 域, SynEtr1 结合 乙烯 后 可以 促进 细胞 向 单侧 光照 方向 移动 [112], 说明 集 胞 藻 可以 响应 化学 物质 浓度 影响 光 光运动, 但 集 胞 藻 能否 响应 环境 中 不同 浓度 乙烯 并 通过 运动 作出 反应 并不 清楚。 另外, 在 自然环境 中 对 单 细胞 蓝藻 能否 通过 蹭 动 有效 改善 自身 生存 环境, 促进 自身 生长 也 需要 实验数据 揭示。

3 蓝藻 滑动

3.1 丝状 蓝藻 滑动 现象 描述

蓝藻 滑动 通常 指 某些 丝状 蓝藻 沿 固体 表面 滑动 的 运动 形式, 如 某些 颤 藻 目 或 念珠 藻 目 中 的 丝状 蓝藻 沿 固体 表面 滑动。 这些 丝状 蓝藻 在 各个 时期 都会 滑动, 并且 其 滑动时 不会 借助 鞭毛 或 Ⅳ 型 菌毛, 藻 丝 一般 在 光滑 表面 上 沿着 丝状 蓝藻 长轴 方向 运行, 速率 通常 不 超过 11 μm / s [4, 113]。 颤 藻 目 和 念珠 藻 目 中的 丝状 蓝藻 滑动 形式 并不 完全 一样, 颤 藻 科 中 某些 蓝藻 如 颤 藻 属 (Oscillatoria) 、 席 藻 属 (Formidio) 和 鞘 丝 藻 属 (Lyngbya) 中 的 某些 种类, 藻 丝 滑动 的 同时 会 发生 沿 藻 丝 长轴 方向 的 旋转 运动, 旋转 运动 方向 与 藻 种类 有关, 有些 顺时针 旋转, 如Phormidium uncinatum, 有些 逆时针 旋转 如Oscillatoria princeps [114]。 而 念珠 藻 科 某些 蓝藻 如 鱼腥 藻 属 (Anabaena) 中 的 某些 种类 藻 丝 滑动 时 并不 旋转, 而 可以 横向 或 侧向 运动, 也 可 沿着 底 物 表层 按 U 型 滑动 [115]。 丝状 蓝藻 在 未 受到 外界 环境 刺激 时, 可以 沿某个 方向 运动 5—8 min, 然后 转换 方向 运动 [3, 113]。 蓝藻 滑动 时 通常 伴随 着 黏液 分泌, 覆盖 丝状 蓝藻 整个 表层, 并且 会 在 蓝藻 沿 表层 运动 后 留下 印记 [113, 116] 。

3.2 丝状 蓝藻 滑动 相关 蛋白 及 作用 机制

目前 关于 丝状 蓝藻 滑动 现象 产生 机制 有 两种 模型 解释。 一种 是 表层 波动 模型 (图 3), 该 模型 提出 基于 的 实验 证据 是 颤 藻 属 (Oscillatoria), 鞘 丝 藻 属 (Lyngbya), 席 藻 属 (Formidio) 中 某些 种类 藻 外膜 上 存在 呈 螺旋状 排列 的 纤维 丝, 这些 纤维 丝 在 不同 藻 中 的 直径 不尽 相同 (5-30 nm), 所处 位置 也不 完全 一样。 有些 位于 肽 聚糖层 与 外 膜层 之间, 例如Oscillatoria animalis, Oscillatoria cepa A2, 有些 位于 外膜 外层 capa S 上, 例如Phormidium uncinatum。 这些 纤维 丝 收缩 会 在 表层 产生 波 动力, 进而 使 细胞 沿着 底 物 接触 面 滑动 [114, 117 - 119]。 席 藻 (Phormidium uncinatum) 中 纤维 丝 的 组成 成分 已 得以 鉴定, 其 表层 纤维 丝 由 一种 称为 振荡 蛋白 的 糖 蛋白 构成, 该 蛋白 含有 钙 离子 结合 位 点, 由 646 个 氨基酸 残 基 组成, 该 蛋白 以 螺旋状 排列方式 定位 于 Capa S 上 [120]。 表层 波动 模型 中 纤维 丝 收缩 时 的 动力 来源 并不 清楚, 有些 种类 纤维 丝 位于 外膜 外层 Capa S 上, 很难 与 提供 质子 动力 或 钠 动力 的细胞 质膜 产生 关联。 另外 对于 只 沿 藻 丝 长轴 方向 滑动 而不 发生 自身 转动 的 藻类 其 藻 丝 表层 并不 存在 螺旋 排列 纤维, 这些 藻类 的 滑动 机理 无法 用 该 模型 解释。 另外 一种 解释 丝状蓝藻 滑动 机制 的 模型 是 黏液 喷出 模型 (图 4), 该 模型 基于 的 实验 依据 是 一些 丝状 蓝藻 细胞 连接 处 存在 一些 孔 状 结构, 这些 孔 状 结构 按 一定 角度 呈 环形 排列 于 细胞 间 隔膜 处, 穿过 细胞膜, 肽 聚糖 层 及 外膜 [116]。 研究者 推测 黏液 就是 由 这些 孔 状 结构 喷出, 位于 同 一侧 的 孔 状 结构 可以 同时 喷出 黏液 并 产生 推动力 推动 藻 丝 表层 沿着 底 物 表层 向前 滑动, 方向 改变 时 位于 另一 侧 的 孔 状 结构 同时 喷出 黏液 使 藻 丝 沿着 底 物 表层 向 反 方向 运动 [116]。 由于 某些 种类 藻 丝 表层 存在 螺旋状 排列的 纤维 丝, 所以 所 喷出 黏液 可以 沿 螺旋状 纤维 丝 流动, 使 藻 丝 产生 向前 推动力 的 同时 产生 与 藻 丝 长轴 方向 垂直 的 侧向 力, 使 藻 丝 发生 旋转 运动, 旋转 运动 方向与 纤维 丝 排列 方向 有关 [116]。 黏液 喷出 提供 动力 使 蓝藻 滑动 的 机制 应该 与 黄色 黏 球菌 有 相似之处 。Wolgemuth 等 [121] 认为 黏液 在 细胞 质膜 处以 脱水 形式 形成 类似 聚 电解质 凝胶,然后 进入 孔 状 结构, 当 从 孔 状 结构 分泌 到 胞 外 时, 骤然 吸水 膨胀 进而 产生 推力。 黏液 喷出 模型 中 缺少 黏液 从 孔 状 复合 体 喷出 的 直接 证据, 另外 位于 同 一侧 的 孔 状 复合体 如何 协同 作用 喷出 黏液 并不 清楚。 对这 2 种 模型 的 验证 均 需要 更多 的 实验 证据。

图 3 解释 丝状 蓝藻 滑动 的 表层 波动 模型 模式 图 Figura 3. Un diagrama modelo para mostrar las ondas superficiales producidas por el deslizamiento de células de cianobacterias filamentosas. 图 4 解释 丝状 蓝藻 滑动 的 黏液 喷出 模型 模式 图 Figura 4. El diagrama del modelo de extrusión de limo para deslizamiento en cianobacterias filamentosas

3.3 藻 殖 段 滑动 现象 描述

藻 殖 段 (Hormogonia) 是 某些 丝状 蓝藻 在 特定 时期 由 长 藻 丝 分化 形成 的 短 丝状 体 [122]。 念珠 藻 目 (Nostocales) 和 真 枝 藻 目 (Stigonematales) 中 某些 属 内 的丝状 蓝藻, 如 念珠 藻 属 (Nostoc), 侧 生 藻 属 (Fischerella) 均可 在 特定 环境 下 产生 藻 殖 段。 以 点 状 念珠 藻 (Nostoc puntiforme) 为例, 长 丝状 营养 藻 丝 并 不能 运动, 但当 外界 环境 变化 时, 长 丝状 营养 藻 丝 片段 化 并 分化 产生 的 藻 殖 段 可以 运动, 这 与 上文 描述 的 颤 藻 属 鱼腥藻 属 藻 丝 一直 处于 运动 状态 不同 [123]。 藻 殖 段 运动 发生 在 特定 时期, 通常 是 分化 形成 的 前 48—72 h, 而后 停止 运动 分化 产生 异形 胞 并 形成 长 丝状 营养 藻 丝 [123] 。 藻 殖 段 滑动 速度 在 0,5—3 μm / s, 运动 有时 会 伴随 沿 藻 丝 长轴 方向 的 转动, 藻 殖 段 滑动 过后 也会 留下 黏液 痕迹 [124 - 126]。

3.4 藻 殖 段 滑动 相关 蛋白 及 作用 机制

Robinson 等 [126] 报道 真 枝 藻 目 中 的 层 理 鞭 枝 藻 (Mastigocladus laminosus) 所 形成 藻 殖 段 可能 利用 细胞 连接 处 呈 环形 排列 的 孔 状 结构 喷出 黏液 提供 动力 使其 滑动, 这 类似于 解释 一直 处于 滑动 状态 的 颤 藻 目 和 念珠 藻 目 中 某些 藻类 动力 提供 机制的 黏液 喷出 模型。 但 该 种 藻 所 形成 藻 殖 段 细胞 连接 处 的 孔 状 结构 与 颤 藻 目 中 丝状 藻类 的 孔 状 复合 体 是否 为 同一 类 结构 并不 清楚, 并且 孔 状 复合体 具体 组成 成分 及 形成 机制 需要 提供 更多 实验 证据。

某些 念珠 藻 目 蓝藻 如Calothrix sp PCC 7601 及 点 状 念珠 藻 在 藻 殖 段 形成 时, 细胞 表层 会 形成 Ⅳ 型 菌毛 类似 结构 [125, 127], 暗示 这些 藻类 藻 殖 段 滑动 可能 与 Ⅳ 型 菌毛 有关。 可 进行 遗传 操作的 点 状 念珠 藻 是 探索 藻 殖 段 滑动 机制 的 良好 材料。 点 状 念珠 藻 基因 组 中 存在 15 种 与 Ⅳ 型 菌毛 合成 相关 蛋白 的 编码 基因, 这些 基因 多数 在 点 状 念珠 藻 产生 藻 殖 段显 著 上调 表达 [125, 128]。 当 插入 失 活pilApilBpilT1pilQ同源 基因 时 藻 殖 段 会 丧失 运动 能力 [125, 128], 这 说明 藻 殖 段 运动 需要 Ⅳ 型 菌毛 参与。 点 状 念珠 藻 藻 殖 段 细胞 内 Ⅳ 型 菌毛 组成 亚基 PilA 呈 环状定位 于 发生 滑动 藻 殖 段 细胞 的 细胞 连接 处, 并且 藻 殖 段 内 每个 细胞 连接 处 的 PilA 通常 定位 于 藻 殖 段 同 一侧, 暗示 藻 殖 段 滑动 时 位于 细胞 连接 处 同 一侧 的 Ⅳ 型 菌毛 会 协同 作用 [128]。

点 状 念珠 藻 藻 殖 段 运动 及 分化 过程 联系 紧密, 受 相关 基因 严格 调控, 通常 影响 点 状 念珠 藻 藻 殖 段 运动 的 基因 对其 分化 过程 也会 产生 影响。 除 上述 Ⅳ 型 菌毛 同源 基因 外,点 状 念珠 藻 基因 组 上 有 两个 基因 簇 与 藻 殖 段 运动 及 分化 有关。 一个 是 有 5 个 基因 组成 的hmp(Motilidad de la hormogonia y polisacárido) 基因 簇, 编码 趋 化 运动 信号 转 导 相关 蛋白 的 同源 蛋白, 其中 HmpA 和 HmpB 为 CheY 类似 蛋白, HmpC 为 CheW 类似 蛋白, HmpD 为 含有 MCP 结构 域 蛋白, HmpE 为蛋白, 突变 株 表 型 检测 表明, 除 HmpA 外, HmpB-E 对 藻 殖 段 运动 及 分化 是 必需 的 [129 - 130]。 这些 基因 编码 蛋白 定位 于 藻 殖 段 细胞 连接 处, 并 呈 环 装 排列, 可能 参与 调控 Ⅳ 型 菌毛 的 合成 [130]。 另外 一个 基因 簇 为hps(Sistema de secreción de polisacáridos de Hormogonia) 基因 簇, 编码 糖 基 转移 蛋白 和 少量 菌 毛亚基 同源 蛋白 [128]。 该 基因 簇 中hpsA-G对 藻 殖 段 运动 都是 必需 的, hpsB-D编码 少量 菌 毛亚基 同源 蛋白, 可能 辅助 Ⅳ 型 菌毛 组成 亚基 PilA 组装 并 发挥 功能 [128]。 当 在hpsE-G糖 基 转移 酶 编码 基因 突变 株 培养 环境 中 添加 培养 过 野生 型 点 状 念珠 藻 藻 殖 段 培养基 时, 其 运动 能力 可 得以 恢复, 暗示 藻 殖 段 分泌 多糖 可以 促进 藻 殖 段 运动, 而 不是 为藻 殖 段 运动 提供 动力 [128]。 另外 点 状 念珠 藻 基因 组 上 编码 的 独立 开放 阅读 框hpsH, 该 基因 编码 蛋白 与 HpsB-D 具有 同源 性, 也 可能 辅助 Ⅳ 型 菌毛 组成 亚基 PilA 组装 并 发挥 功能, 但hpsH突变 藻 殖 段 仍然 可以 运动 [128]。

近期 研究 表明 还有 一些 蛋白 对 点 状 念珠 藻 藻 殖 段 运动 或 分化 有 重要 作用, 例如 HmpF 、 HmpU 、 HmpV 、 HmpW 、 OGTA (O-enlazado-β-N-acetilglucosamina transferasa A) 、 SigC 、 SigF SigJ [131-134]。 点 状 念珠 藻 藻 殖 段 中 HmpF 与 菌毛 组成 亚基 PilA 具有 类似 的 定位 方式, 均 定位 于 藻 细胞 的 一端, hmpF突变 株 运动 能力 完全 丧失, 且 突变 株 中 胞 外 PilA 含量 显 著 下降, 说明 HmpF 对 点 状 念珠 藻 藻 殖 段 Ⅳ 型 菌毛 正常 定位 及 功能 发挥 具有 重要 作用 [131]。hmpUhmpV突变 株 藻 殖 段 运动 受到 抑制, 菌毛 组成 亚基 PilA 在 胞 外 的 积累 减少 hmpW突变 株 藻 殖 段 运动 能力 增强 hmpV突变 后pilBhmpFhpsE等 与 藻 殖 段 运动 相关 基因 表达 量 显 著 下调 HmpW 与 HmpV 可以 发生 相互作用, HmpU 与 HmpW 分别 含有 丝氨酸 磷酸 酶 结构 域 和 丝氨酸 激酶 结构 域, 它们 可能 通过 调控 HmpV 的 磷酸 化 状态 从而 的殖 段 运动 相关 基因 表达 或 蛋白 定位, 进而 影响 藻 殖 段 运动 [132] 。OGTA 是 点 状 念珠 藻 乙酰 氨基 葡萄糖 转移 酶 类似 蛋白, 该 蛋白 编码 基因 突变 会 在 转录 后 水平 影响 点 状 念珠 藻殖 段 菌毛 组成 亚基 PilA 积累, 进而 影响 藻 殖 段 运动 [133]。 点 状 念珠 藻 中 SigC 、 SigF 和 SigJ 编码 基因 突变 均 会使 藻 殖 段 完全 丧失 运动 能力, sigC突变 株 中 胞 外 菌毛 组成 亚基 PilA 积累 量 显 著 下降, sigFsigJ突变 株 中 胞 内外 菌毛 组成 亚基 PilA 含量 均 显 著 下降 SigJ 可 增强 大多数 藻 殖 段 发育 过程 中 特异性 表达 基因 (包括 Ⅳ 型 菌毛 合成 相关 基因 等) 的 转录 表达, SigC 主要 影响 细胞 分裂相关 基因 表达, SigF 主要 调控 菌毛 组成 亚基 编码 基因pilA的 转录 水平, 这些 蛋白 通过 在 转录 水平 直接 或 间接 影响 ​​藻 殖 段 运动 或 分化 相关 基因 表达 进而 影响 藻 殖 段 运动 或 分化 [134]。

Khayatan 等 [128] 对 藻 殖 段 运动 机制 提出 了 一种 模型 解释 (图 5), 认为 藻 殖 段 细胞 连接 处 的 孔 状 结构 由 Ⅳ 型 菌毛 合成 及 多糖 分泌 蛋白 复合 体 构成, 藻 殖 段运动 可能 依靠 定位 于 藻 殖 段 细胞 间 连接 孔 复合 体 的 Ⅳ 型 菌毛 延长 与 收缩 提供 动力, 而 菌毛 与 介质 表层 的 黏附 需要 借助 分泌 至 胞 外 的 多糖 实现。 藻 殖 段 细胞 如何 调控位于 藻 殖 段 细胞 间 连接 孔 复合 体 的 Ⅳ 型 菌毛 组装 过程, 从而 实现 整个 藻 殖 段 的 运动 需要 进一步 研究。 藻 殖 段 滑动 形式 与 丝状 蓝藻 相似, 而 其 滑动 时 借助 Ⅳ 型 菌毛与 集 胞 藻 蹭 动 类似, 说明 藻 殖 段 滑动 是 一种 相对 特殊 的 运动 形式。

3,5 丝状 蓝藻 滑动 意义

丝状 蓝藻 滑动 较 单 细胞 蓝藻 泳 动 或 蹭 动 形式 及 调控 机制 更为 复杂, 涉及 多个 细胞 协同 作用。 丝状 蓝藻 滑动 是 较 复杂 蓝藻 对 外部 环境 变化 产生 反应 并 积极 适应 外界 环境 的 体现,通过 滑动 可以 响应 外部 环境 中 化学 物质 浓度 和 光照 强度。 研究 表明Oscillatoria sp. 可以 在 光照 条件 下 产生 向 较高 浓度 二氧化碳 、 碳酸氢 盐 及 氧气 环境 滑动 的 表 型 [135], Oscillatoria terebriformis滑动 则 受到 环境 中 果糖 及 硫化物 浓度 升高 的 抑制 [136, 137], 说明 这些 丝状 蓝藻 可以 感应 环境 中 物质 浓度 并 作出 反应。 丝状 蓝藻 滑动 通常 受 外部 光照 环境 影响, Phonnidium uncinatum藻 丝 在 变 光 环境 下, 无论 光照 突然 增强 或 减弱, 藻 丝 都会 改变 原来 的 滑动 方向, 光 信号 的 感应 可能 与 跨 类 囊 体 膜 的 质子 梯度 有关, 钙 离子 在 信号 感应 中 也 具有 重要 作用, 但 具体 机制 还 不清楚 [138]。Anabaena variabilis藻 丝 在 弱光 条件 下 发生 趋 光 运动, 在 强光 条件 下 发生 避光 运动, 该 反应 与 单 细胞 藻类 如 集 胞 藻 光 反应 类似, 但 其 光 信号 感应 机制 并不 清楚 [139]。 这种 对 不同 光照 强度 的 感应 及 相应 滑动 方向 的 调整 可以 使 藻 丝 在 自然界 中 选择 具有 合适 光照 强度 的 区域 生长, 避免 光照 过 强 或 过 弱 影响 藻 丝 生长。 自然界 中 很多 丝状 蓝藻 生活 在处于 极端 环境 例如 热 泉 、 高 盐 沙漠 湖泊 微生物 垫 的 上层, 具有 滑动 能力 能 使其 在 微生物 垫 中 平行 或 垂直 移动, 从而 在 这样 的 微 环境 中 寻求 最 利于 自身 生长 的 光照 或 营养 盐 环境,例如, 在 墨西哥 Guerrero Negro [140] 发现 的 高 盐 底栖 微生物 垫, 其中 的 丝状 蓝藻Oscillatoria sp.和Espirulinasubsalsa在 白天 光照 较强 时 会 迁移 至 微生物 垫 下层 而 在 黄昏 光照 较弱 时又 迁移 回 表层 而 在 法国 Salins-de-Giraud [141] 发现 的 高 盐 微生物 垫 中 的 丝状 蓝藻Ctonoplasto microcoleus白天 聚集 并 迁移 至 微生物 垫 上层, 而 夜晚 会 均匀 散开 生活 在 美国 休 伦 湖 沉 水坑 主要 由 颤 藻 目 丝状 蓝藻 形成 的 微生物 垫 中, 藻 丝 展现 出 较为 明显 趋 光 运动 现象, 并且迁移 至 光 区 的 丝状 蓝藻 光合作用 产量 较 停留 在 暗 区 的 丝状 蓝藻 高 [142]。 这些 生活 在 不同 环境 中 的 丝状 蓝藻 感应 外界 环境 变化, 并 通过 滑动 改变 自身 位置 获得 利于 自身 的生长 条件。

藻 殖 段 作为 某些 丝状 蓝藻 营养 藻 丝 响应 外界 营养 盐浓度 、 光照 等 条件 后 形成 的 短 丝状 体, 其 滑动 行为 对 蓝藻 在 环境 中 的 快速 传播 及 与 植物 形成 共生 体 具有 重要 作用 [ 143]。 有 研究 表明 藻 殖 段 对 植物 分泌物 具有 类似 趋 化 运动 的 行为 [143], 且 藻 殖 段 存在 明显 的 趋 光 运动 现象 [144], 说明 藻 殖 段 可以 有效 感知 外界 环境 信号 并通过 滑动 做出 响应。 点 状 念珠 藻 藻 殖 段 可 在 单侧 白光 照射 条件 下 发生 趋 光 运动, 其 基因 组 上 编码 趋 化 运动 信号 转 导 同源 蛋白 的 基因 簇npF2161-npF2168 与 藻 殖 段 趋 光 运动 有关, 其中 NpF2164 和 NpF2165 是 藻 殖 段 趋 光 运动 必需 的 [142] 。NpF2164 含有 MCP 结构 域 及 7 个 GAF 结构 域, 靠近 C 结合 发 的 GA色 团 感应 橙 光和 绿光 [145], 该 蛋白 可能 感应 外界 光照 并将 信号 往 下游 传递 最终 实现 藻 殖 段 趋 光 运动。 该 藻 基因 组 上 还 存在 其他 编码 趋 化 运动 信号 转 导 同源 蛋白的 基因 簇, 这些 基因 簇 是否 调控 藻 殖 段 趋 化 运动 需要 进一步 研究。 以 藻 殖 段 滑动 为 基础 的 趋 化 运动 及 趋 光 运动 行为 对其 适应 外界 多变 环境 具有 重要 作用。

从 19 世纪 早期 发现 蓝藻 运动 现象 至今, 关于 蓝藻 运动 及其 调控 机制 研究 已 取得 很大 进展。 参考 其他 细菌 运动 调控 机制, 以 集 胞 藻 为 实验 材料 对 蓝藻 蹭 动 中 的 趋 光 运动 机制 研究 最为深入, 关于 蓝藻 泳 动 及 滑动, 研究者 也 提出 了 可能 的 作用 机制 模型。 围绕 蓝藻 运动 研究, 仍有 许多 问题 需要 研究者 解答, 主要 包括: (1) 蓝藻 蹭 动 现象 中 关于 集 胞 藻 的趋 光 运动 信号 转 导 过程 相对 清晰, 但 仍有 很多 细节 问题 需要 解答, 例如 集 胞 藻 中 感光 蛋白 感应 外界 光 信号 后将 信号 传递 下去, 通过 CheY 类似 PatA 家族 蛋白 (含 PATAN 结构 域) 与 Ⅳ型 菌毛 合成 动力 蛋白 PilB1 相互作用 影响 Ⅳ 型 菌毛 合成 与 分布, 该 相互作用 过程 如何 具体 影响 Ⅳ 型 菌毛 合成? PatA 家族 蛋白 与 PilB1 相互作用 是 促进 Ⅳ 型 菌毛 合成 还是 抑制 Ⅳ 型 菌毛 合成?集 胞 藻 中 PatA 家族 蛋白 有 六个, 均 含有 Response-reg 和 PATAN 结构 域, 已 报道 实验 数据 表明 该 家族 中 PixE 可以 与 PilB1 相互作用, 另外 五个 是否 都 与 PilB1 相互作用?该 家族 中 PixE 与 LsiR 对 细胞 在 单侧 光照 下 的 避光 运动 至关重要, 而 PixG 对 细胞 单侧 光照 下 的 趋 光 运动 至关重要, 如果 它们 都 通过 与 PilB1 相互作用 调控 Ⅳ 型 菌毛合成 与 分布 进而 实现 集 胞 藻 趋 光 或 避光 运动, 它们 如何 协调 该 过程? (2) 信号 分子 环 化 腺苷酸 (cAMP) 及 环 化 二 鸟 苷 酸 (c-di-GMP) 在 调控 集 胞 藻 蹭 动 中 具体 功能 及 作用 机制 是 什么? cAMP 是否 只是 通过 与 CRP 类 转录 调控 因子 结合 影响 Ⅳ 型 菌毛 合成 相关 蛋白 编码 基因 转录 水平 影响 集 胞 藻 蹭 动? c-di-GMP 是否 直接 通过 与 PilB1 或 PilT1 的 结合 影响 集 胞 藻 蹭 动? (3) ¿集 胞 藻 中使 运动 能力 丧失 的 各 突变 基因 所 编码 蛋白 在 细胞 运动 过程 中 的 具体 功能 是 什么? (4) 海洋 聚 球 藻 泳 动 不 借助 鞭毛 或 Ⅳ 型 菌毛, 其 动力 究竟 如何 产生?实验 数据 表明 培养基 中 钠 离子 和 钙 离子 浓度 对 海洋 聚 球 藻 泳 动 至关重要, 钠 动力 和 钙 离子 去 极化 如何 协同 产生 推力 需要 进一步 研究 。SwmA 和 SwmB 等 泳 动 必需 蛋白 在 泳 动过程 中 的 具体 功能 需要 进一步 揭示。 两种 关于 促使 海洋 聚 球 藻 泳 动 的 波动 机理 解释 模型 需要 寻找 更多 实验 证据 支持。 (5) 丝状 蓝藻 滑动 过程 中 的 动力 如何 产生?关于 丝状 蓝藻 滑动 动力 产生 机制 的 两种 模型 解释 需要 提供 更多 实验 证据。 (6) 藻 殖 段 滑动 与 单 细胞 蓝藻 蹭 动 均 需要 Ⅳ 型 菌毛 参与, 但 二者 运动 形式 以及 参与 调控 Ⅳ型 菌毛 合成 的 蛋白 并不 完全相同, 藻 殖 段 中 各 细胞 如何 调控 Ⅳ 型 菌毛 合成 过程 进而 实现 整个 藻 殖 段 滑动 需要 进一步 实验 探究。 (7) 蓝藻 运动 在 自然环境 中 的 生态 意义 是什么?能否 有效 地 使 蓝藻 更好 地 适应 环境?如 躲避 高 光 或 UV 胁迫, 选择 更 合适 的 光照 环境, 或 通过 运动 获得 更 利于 自身 生长 的 营养 环境。 对 部分 丝状 蓝藻 在 不同 环境 微生物 垫 中 滑动 研究 发现, 这些 丝状 蓝藻 通过 滑动 可以 自身在 微生物 垫 中 所处 位置, 从而 改变 获取 光照 条件 进而 增强 光合 效率。 而 对 海洋 聚 球 藻 泳 动, 淡水 单 细胞 蓝藻 蹭 动 以及 藻 殖 段 滑动 过程, 仍然 缺少 证据 表明 这些 藻类 因为 运动 直接 获益。 经过 研究者 不断 探索, 相信 以上 问题 在 不久 的 将来 可以 逐步 解决。

图 1 海洋 聚 球 藻 细胞 表层 波动 产生 泳 动 的 模式 图 [14, 16 - 18] Figura 1. Modelos para causar olas en la superficie y natación de marinos. Synechococcus celdas [14, 16 - 18] 图 2 集 胞 藻 趋 光 运动 感光 信号 转 导 及 Ⅳ 型 菌毛 合成 模式 图 Figura 2. Vías de transducción de señales fotosensibles en fototaxis y modelo de síntesis de pili de tipo Ⅳ en Synechocystis 图 3 解释 丝状 蓝藻 滑动 的 表层 波动 模型 模式 图 Figura 3. Un diagrama modelo para mostrar las ondas superficiales producidas por el deslizamiento de células de cianobacterias filamentosas. 图 4 解释 丝状 蓝藻 滑动 的 黏液 喷出 模型 模式 图 Figura 4. El diagrama del modelo de extrusión de limo para deslizamiento en cianobacterias filamentosas

PREGUNTAS ACTUALES

En esta sección, resumimos brevemente algunas de las muchas preguntas abiertas en la fototaxis procariota, el fotocomportamiento y la percepción de la luz direccional.

Localización e interacciones de fotorreceptores, transductores de señal y el aparato de motilidad.

No hay ningún ejemplo de fotocomportamiento procariota que se comprenda completamente en el sentido de que se conoce la ruta completa de transducción de señales desde el fotorreceptor hasta el aparato de motilidad. Incluso en el caso bien caracterizado de H. salinarum, no se entiende el interruptor final que controla la dirección de rotación del archaellum. En las cianobacterias, se conocen una gran cantidad de fotorreceptores y transductores de señales que influyen en la fototaxis. Sin embargo, sigue siendo incierto cuáles de estos componentes están implicados en la percepción de la luz direccional, y el conocimiento de la vía de transducción de señales que conduce al control de la actividad de los pili de tipo IV sigue siendo incompleto. Creemos que se necesitan dos líneas de investigación adicional. Primero, necesitamos conocer la localización subcelular de fotorreceptores y transductores de señal, idealmente con información dinámica sobre los cambios en la localización durante los cambios de motilidad. En principio, esta información podría provenir de una combinación de marcado de proteínas fluorescentes y microscopía de fluorescencia, aunque el bajo número de copias de muchas proteínas de transducción de señales puede causar problemas con este enfoque en las cianobacterias, que tienen una autofluorescencia de fondo relativamente alta. En segundo lugar, necesitamos saber mucho más sobre las interacciones intermoleculares. Por ejemplo, ¿cuáles, si los hay, reguladores de respuesta interactúan directamente con los motores pilus de tipo IV en las cianobacterias? Esta información podría provenir de una variedad de técnicas: p. Ej. en vivo FRET, pull-downs de afinidad y sistemas de dos híbridos.

Adaptación y rango dinámico

Una característica común de los sistemas de fotopercepción en todos los dominios de la vida es la presencia de adaptación que sintoniza la fotopercepción y la transducción de señales a la intensidad de luz predominante. La adaptación aumenta efectivamente el rango dinámico del sistema, lo que le permite responder en un rango mucho más amplio de intensidades de luz predominantes. Es probable que tales mecanismos de adaptación sean una característica de las respuestas fotoconductuales de los procariotas, pero sabemos muy poco sobre cómo podrían operar. La metilación de R. sphaeroides (Kort et al. 2000) y H. salinarum (Perazzona y Spudich 1999) Las MCP son ejemplos raros de respuestas de adaptación a la luz procariotas que se comprenden al menos parcialmente. En la cianobacteria Synechocystis, el enfoque de la luz por las células induce una diferencia de aproximadamente 4 veces en la intensidad de la luz entre la parte delantera y trasera de la célula (Schuergers et al. 2016). Sin embargo, el rango de intensidades de luz sobre las que Synechocystis El funcionamiento de la fototaxis parece mucho mayor que esto (Ng, Grossman y Bhaya 2003), lo que indica la necesidad de un sistema de adaptación a la luz. Algunos de los numerosos Synechocystis Los fotorreceptores y transductores de señal que están implicados en la fototaxis (Tabla 2) pueden estar involucrados en la adaptación a las condiciones de luz predominantes en lugar de la percepción de luz direccional o el cambio entre fototaxis positiva y negativa, pero los detalles aún no se han descifrado.

Integrando múltiples señales para decisiones complejas

Como se discutió anteriormente, la elección de las condiciones óptimas de luz para el crecimiento fotoautótrofo podría ser extremadamente compleja, involucrando la evaluación del suministro de nutrientes y gas y la presencia de competidores, socios simbióticos y depredadores, así como una simple evaluación de la calidad e intensidad de la luz. Por una buena razón, tendemos a minimizar estos factores de complicación en los experimentos de laboratorio donde buscamos resultados reproducibles y respuestas a preguntas simples. Sin embargo, hay indicios en varios procariotas de la complejidad del procesamiento de la información que puede influir en las decisiones de motilidad en el mundo real. En las bacterias fotosintéticas de color púrpura, es probable que exista una interferencia entre las señales de luz, el estado metabólico de la célula y los niveles de oxígeno (Armitage 1997). En las cianobacterias, la situación parece aún más compleja. Synechocystis está equipado con múltiples fotorreceptores y toma decisiones sofisticadas sobre su dirección de motilidad en regímenes de luz complejos (Chau, Bhaya y Huang 2017). Además, se ha demostrado que el etileno influye en la fototaxis a través de su interacción con el fotorreceptor UirS UV-A (Lacey y Binder 2016). La presencia del tax2 y tax3 operones, cuyos productos probablemente influyen en la motilidad en respuesta a señales químicas o mecánicas no caracterizadas, insinúan una mayor complejidad en el control de Synechocystis motilidad. La naturaleza del complejo procesamiento de información en estas diminutas células individuales será un tema fascinante para futuros estudios.

Fotocomportamiento y percepción de la luz direccional en procariotas no fototróficos

Muchos procariotas no fototróficos poseen fotorreceptores y se ha demostrado que las señales de luz influyen en varios procesos fisiológicos en los no fotótrofos, incluido el desarrollo y la virulencia (Purcell y Crosson 2008 Bonomi et al. 2016). No tenemos conocimiento de ningún caso en el que se haya demostrado que un procariota no fototrófico emplee la detección de luz direccional, como se ha demostrado para la cianobacteria. Synechocystis (Schuergers et al. 2016). Sin embargo, dado que la base de la detección de luz direccional en Synechocystis es lente microóptica en lugar de sombreado (Schuergers et al. 2016), un alto contenido de pigmento celular no es un requisito para la percepción de luz direccional. Nuestras propias investigaciones preliminares sugieren que las lentes microópticas y los efectos de guía de ondas son posibles en una variedad de microbios no fototróficos, lo que sugiere que la percepción de la luz direccional podría potencialmente estar muy extendida en procariotas no fototróficos. Para tomar un ejemplo, Agrobacterium tumefaciens tiene un par de fotorreceptores bacteriofitocromos (Karniol y Vierstra 2003) y una vía de desarrollo que involucra la generación de un sitio de unión de sustrato en un polo de la célula (Heindl et al. 2014). ¿La detección de luz direccional juega un papel en la determinación de qué polo celular se convierte en el sitio de unión? Los estudios de localización subcelular de fotorreceptores proporcionarían una primera pista sobre su posible participación en la detección de luz direccional. Dichos fotorreceptores deben ubicarse alrededor de la periferia de las células esféricas o en los polos de las células en las células en forma de bastón.

¿Cuál es el papel de la fotoconducta en el mundo real?

Casi todo nuestro conocimiento del fotocomportamiento procariótico proviene de estudios de laboratorio de células en situaciones relativamente simples. Dichos estudios dan pistas obvias sobre las posibles ventajas de la fotoconducta en el entorno natural, pero no revelan directamente las circunstancias en las que la fotoconducta podría ser selectivamente ventajosa. Un raro ejemplo de la observación del fotocomportamiento procariótico en el entorno natural proviene de los estudios de la migración diel de la cianobacteria filamentosa. Oscillatoria sp. dentro de las comunidades de esteras, donde está claro que la fotosensibilidad tiene una gran influencia en el movimiento, aunque no es el único factor (Richardson y Castenholz 1987 García-Pichel, Mechling y Castenholz 1994). Las especies de cianobacterias migran verticalmente dentro de las biopelículas a distancias del orden de 1 mm durante los ciclos diurnos, migrando hacia abajo durante el día y hacia arriba durante la noche (García-Pichel, Mechling y Castenholz 1994). El complejo fotocomportamiento de especies unicelulares como Synechocystis debe ser importante en contextos similares, pero esto queda por investigar. Los ritmos circadianos y los ciclos diurnos influyen en gran medida en la fisiología de las cianobacterias (Angermayr et al. 2016) y podría hacer otra aportación a las decisiones de motilidad en cianobacterias unicelulares. Hasta donde sabemos, esto aún no ha sido probado. Algún día esperamos entender cómo las cianobacterias procesan información compleja a partir de múltiples señales ambientales para llegar a decisiones de motilidad, y cómo este comportamiento es relevante para su supervivencia en el ambiente natural.