Информације

НпФ2164 - Биологија

НпФ2164 - Биологија



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

НпФ2164
Геномско истраживање и биохемијска анализа рекомбинантних цијанобактериохрома кандидата откривају обогаћивање за скоро УВ/љубичасте сензоре у халотолерантној и алкалифилној цијанобактерији Мицроцолеус ИППАС Б353* *

Цијанобактериохроми (ЦБЦР), који су ексклузивни и широко распрострањени међу цијанобактеријама, су фотопротеини који осећају читав спектар блиске УВ и видљиве светлости. ЦБЦР су повезани са црвеним/далеко црвеним фитохромима који користе линеарне тетрапирол (билин) хромофоре. Најбоље карактерише једноћелијска цијанобактерија Синецхоцистис сп. ПЦЦ 6803 и вишећелијска хетероциста која формира филаментозне цијанобактерије Ностоц пунцтиформе АТЦЦ 29133 и Анабаена сп. ПЦЦ 7120, ЦБЦРс су слабо истражене у нехетероцистозним цијанобактеријама које формирају простирку. У овој студији смо секвенцирали геном једне од таквих врста, Мицроцолеус ИППАС Б353 (Мицроцолеус Б353) и идентификовала два фитохрома и седам ЦБЦР са једним или више билин-везујућих цГМП-специфична фосфодиестераза, аденилил циклаза и ФхлА (ГАФ) домене. Биохемијска и спектроскопска мерења 23 пречишћена ГАФ протеина из фикоцијанобилина (ПЦБ) који производе рекомбинантне Есцхерицхиа цоли показало је да је 13 од ових протеина формирало ковалентне адукте који апсорбују скоро УВ и видљиву светлост: 10 ГАФ-ова је садржало ПЦБ хромофоре, док су три садржала ПЦБ изомер, фиковиолобилин (ПВБ). Штавише, допуна Мицроцолеус Б353 ЦБЦРс је обогаћен скоро УВ и љубичастим сензорима, али му недостају црвене/зелене и зелено/црвене ЦБЦР које су широко распрострањене у другим цијанобактеријама. Претпостављамо да је обогаћивање ЦБЦР-има који апсорбују кратке таласне дужине критично за привикавање на окружења са високом светлошћу у којима се овај организам налази.

Целокупне секвенце генома, информације о напоменама и детаљне предвиђене функције Мицроцолеус Б353 су доступне преко НЦБИ (хттп://ввв.нцби.нлм.них.гов/биопројецт/203668).

Овај рад је подржан грантовима из програма Нект-Греен БиоГреен 21, гранта Управе за рурални развој ПЈ011659 и напредног центра за истраживање и развој биомасе (АБЦ) Кореје, гранта НРФ-2011-0031344, који финансира Министарство науке, ИКТ и будућности Планирање, Кореја (ИИ. П.). Аутори изјављују да немају сукоба интереса у вези са садржајем овог чланка.


Аулдридге МЕ, Форест КТ (2011) Бактеријски фитохроми: више него што се сусреће са светлом. Црит Рев Биоцхем Мол Биол 46(1):67–88

Делаглио Ф, Грзесиек С ет ал (1995) НМРПипе: вишедимензионални систем спектралне обраде заснован на УНИКС цевима. Ј Биомол НМР 6(3):277–293

Икеуцхи М, Исхизука Т (2008) Цијанобактериохроми: нова суперфамилија фоторецептора који везују тетрапирол у цијанобактеријама. Пхотоцхем Пхотобиол Сци 7(10):1159–1167

Икура М, Каи ЛЕ ет ал (1990) Нови приступ за секвенцијално додељивање 1Х, 13Ц и 15Н спектра протеина: хетеронуклеарна тродимензионална НМР спектроскопија са троструком резонанцом. Примена на калмодулин. Биоцхемистри 29(19):4659–4667

Исхизука Т, Камииа А ет ал (2011) Цијанобактериохром, ТеПикЈ, изомеризује сопствени хромофор претварањем фикоцијанобилина у фиковиолобилин. Биоцхемистри 50(6):953–961

Нарикава Р, Исхизука Т ет ал (2013) Структуре цијанобактериохрома из регулатора фототаксије АнПикЈ и ТеПикЈ откривају општи и специфични механизам фотоконверзије. Проц Натл Ацад Сци 110(3):918–923

Роцквелл НЦ, Мартин СС ет ал (2011) Различити двоцистеински фотоцикли у фитохромима и цијанобактериохромима. Проц Натл Ацад Сци 108(29):11854–11859

Роцквелл НЦ, Мартин СС ет ал (2012) Формирање Пхицовиолобилина и спектрално подешавање у подфамилији ДКСЦФ цијанобактериохрома. Биохемија 51: 1449–1463

Висхарт ДС, Сикес БД ет ал (1992) Индекс хемијског померања: брза и једноставна метода за додељивање секундарне структуре протеина путем НМР спектроскопије. Биохемија 31(6):1647–1651


Улога цијанобактеријске машине типа ИВ Пилус у проналажењу и одржавању повољног окружења

Преглед Цонради ет ал. је интересантан и благовремен документ који сумира тренутна знања о склопу и функцијама цијанобактерија типа 4 пили (Т4П). Овај преглед прикупља информације, од ранијих студија до ажурираних публикација, и свеобухватно покрива неколико тема од интереса. Главни фокус је дат фототаксији, кретању према или удаљеном од светлости. Аутори детаљно описују механизам и његову регулацију и дају сумирајуће моделе који описују предности овог феномена, нпр. оптимално позиционирање ћелија у воденом стубу или унутар заједнице као што је микробна простирка. Додатно је описана улога покретљивости у формирању вишећелијских склопова, као и улоге Т4П апарата у секрецији и ДНК компетенцији. Рецензија је чврсто и јасно написана и свакако заслужује објављивање. Испод је неколико мањих коментара за разматрање аутора.

  1. Редови 105-107: "Перцепција светлости у Пхормидиум унцинатум, &хеллип. зависи од смањења светлости на предњем крају филамента и повећања светлости на крају који заостаје, иако је механизам за ово просторно поређење нејасан." Опис смањења светлости и повећања светлости у овом контексту је веома нејасан. Молимо ревидирајте да бисте разјаснили.
  2. Позивање на студију која указује на учешће хомолога ПилБ у секрецији протеина (тренутно линија 259) боље одговара одељку под насловом &лдкуоАпарат Т4П има структурну и секреторну улогу у формирању заједнице цијанобактерија&рдкуо.
  3. Аутори могу размотрити додавање одељка под насловом „Закључне напомене/Будући правци.

Прво, да се захвалимо рецензенту на веома вредним коментарима. Свеобухватно смо ревидирали рукопис као одговор на коментаре сва три рецензента. У наставку ћете наћи коментаре рецензента 1, а затим наше одговоре подебљане.

  1. Редови 105-107: "Перцепција светлости у Пхормидиум унцинатум, &хеллип. зависи од смањења светлости на предњем крају филамента и повећања светлости на крају који заостаје, иако је механизам за ово просторно поређење нејасан." Опис смањења светлости и повећања светлости у овом контексту је веома нејасан. Молимо ревидирајте да бисте разјаснили.

Хвала вам што сте ово истакли. Ревидирали смо нашу изјаву (види ред 107-109).

  1. Позивање на студију која указује на учешће хомолога ПилБ у секрецији протеина (тренутно линија 259) боље одговара одељку под насловом &лдкуоАпарат Т4П има структурну и секреторну улогу у формирању заједнице цијанобактерија&рдкуо.

Сада смо ово померили као што је предложено у одељак 4 (погледајте редове 320-323)

Хвала вам на овом вредном коментару. Следили смо и предлог рецензента 3 да у овај одељак укључимо делове наших последњих пасуса.

Овај прегледни рукопис се бави машинама типа ИВ пилус у цијанобактеријама, укључујући различите аспекте као што су физиологија и регулација. Овај рукопис је добро организован и енглески су веома љубазни. Стога би рукопис прегледа требало да у великој мери допринесе научној заједници о цијанобактеријама, и тако да буде прикладан за објављивање након што се неколико проблема реши.

1. У одељку 2, аутори су сумирали фототактичку регулацију углавном на основу студија на С. 6803. Аутори су описали УирС, ПикЈ1 и Цпх2, али не и ПикД, сензор плаве светлости заснован на БЛУФ-у у сарадњи са ПикЕ. Препоручујем да укључите ПикД-ПикЕ приче. Штавише, не само ПикГ већ и ЛсиР и ПикЕ су регулатори одговора који садрже ПАТАН домен на Н-терминусу, што би требало описати у контексту могућег заједничког излаза за Т4П апарат. Док су ПикЈ и његов генски кластер високо конзервирани међу различитим цијанобактеријама, УирС, Цпх2 и ПикД нису толико конзервирани, што указује да сигнализација ПикЈ може бити главни регулаторни пут за фототактичку регулацију у цијанобактеријама. Даље, квалитети сензора светлости ГАФ домена ПикЈ хомолога су веома разноврсни: не само плаво/зелени фотоциклус већ и црвено/зелени и многи други. Препоручујем да укратко опишете ове ствари у овом одељку како бих цитирао неколико референци, посебно Ностоц ПткД (НпФ2164) Реф (Цампбелл ет ал. Ј. Бацтериал. 2015 197 (4): 782-791 &амп Роцквелл ет ал. 2012 Биоцхемистри 51 (48) ): 9667-9677).

2. Л231-Л232: Еномотоови радови, Реф. 75 и 76, оба се баве агрегацијом Т. вулцанус. Т. елонгатус НИЈЕ показао никакву агрегацију у условима ниске температуре светлости, док Т. вулцанус добро показује агрегацију ћелија. Дакле, Еномото и коаутори су се фокусирали на физиологију Т. Вулцанус, иако су њихови ин витро биохемијски радови на СесА били фокусирани на Т. елонгатус. У сваком случају, аутори треба пажљиво прочитати ове референце и правилно их описати. Ова физиолошка разлика између Т. елонгатус и Т. вулцанус је аналогна питањима микроеволуције Синецхоцоццус и Синецхоцистис описаних у Л412-427. Проблеми са термосинехококом такође могу бити укључени у овај одељак.

3. Л65 Постоји много ПилА хомолога у С. 6803 и Н. пунцтиформе. Пожељно је описати да ли су ПилА хомолози других цијанобактерија и бактерија такође сувишни или не.

4. Л143: флавин -&гт флавин мононуклеотид

Прво, да се захвалимо рецензенту на веома вредним коментарима. Свеобухватно смо ревидирали рукопис као одговор на коментаре сва три рецензента. Наћи ћете коментаре рецензента 2 праћене нашим одговорима подебљаним

  1. У одељку 2, аутори су резимирали фототактичку регулацију углавном на основу студија на С. 6803. Аутори су описали УирС, ПикЈ1 и Цпх2, али не и ПикД, сензор плаве светлости заснован на БЛУФ-у у сарадњи са ПикЕ. Препоручујем да укључите ПикД-ПикЕ приче.

Сада укључујемо параграф (редови 162-166) о укључивању ПикД-ПикЕ система у фототаксију.

Штавише, не само ПикГ већ и ЛсиР и ПикЕ су регулатори одговора који садрже ПАТАН домен на Н-терминусу, што би требало описати у контексту могућег заједничког излаза за Т4П апарат.

Укључили смо предлог рецензента&рскуос у редове 167-169.

Док су ПикЈ и његов генски кластер високо конзервирани међу различитим цијанобактеријама, УирС, Цпх2 и ПикД нису толико конзервирани, што указује да сигнализација ПикЈ може бити главни регулаторни пут за фототактичку регулацију у цијанобактеријама. Даље, квалитети сензора светлости ГАФ домена ПикЈ хомолога су веома разноврсни: не само плаво/зелени фотоциклус већ и црвено/зелени и многи други. Препоручујем да укратко опишете ове ствари у овом одељку како бих цитирао неколико референци, посебно Ностоц ПткД (НпФ2164) Реф (Цампбелл ет ал. Ј. Бацтериал. 2015 197 (4): 782-791 &амп Роцквелл ет ал. 2012 Биоцхемистри 51 (48) ): 9667-9677).

Захваљујемо рецензенту на овом предлогу. Додали смо информације о неким цијанобактеријским ПикЈ хомолозима (редови 151-157), али сматрамо да би детаљније истраживање ПикЈ фотоциклуса било ван оквира овог прегледа који се углавном фокусира на учешће типа ИВ пили у ћелијском понашању.

  1. Л231-Л232: Еномотоови радови, Реф. 75 и 76, оба се баве агрегацијом Т. вулцанус. Т. елонгатус НИЈЕ показао никакву агрегацију у условима ниске температуре светлости, док Т. вулцанус добро показује агрегацију ћелија. Дакле, Еномото и коаутори су се фокусирали на физиологију Т. Вулцанус, иако су њихови ин витро биохемијски радови на СесА били фокусирани на Т. елонгатус. У сваком случају, аутори треба пажљиво прочитати ове референце и правилно их описати. Ова физиолошка разлика између Т. елонгатус и Т. вулцанус је аналогна питањима микроеволуције Синецхоцоццус и Синецхоцистис описаних у Л412-427. Проблеми са термосинехококом такође могу бити укључени у овај одељак.

Хвала вам на овом веома важном коментару и извињавамо се због нетачног цитирања рада Енамото&рскуос у нашој почетној пријави. У складу са тим смо изменили одељак. Поред тога, разговарали смо о физиолошким разликама између оба Тхермосинецхоцоцццус сојева и микроеволуције са Геном Еномото лично. Његов предлог је био да се ово изостави из дискусије јер тренутно не постоји јасно објашњење за различите фенотипове агрегације. Међутим, у закључне напомене (ред 445-447) укључили смо кратку изјаву о томе.

  1. Л65 Постоји много ПилА хомолога у С. 6803 и Н. пунцтиформе. Пожељно је описати да ли су ПилА хомолози других цијанобактерија и бактерија такође сувишни или не.

Нисмо сигурни шта рецензент захтева овде. У овом тренутку нисмо коментарисали редундантност или другачије вишеструких ПилА хомолога. Недавна истраживања сугеришу специјализоване функције за бар неке од хомолога пилина (који се обично називају мањим пилинима због њихове мање заступљености), као што ћемо касније размотрити у контексту флокулације, на пример. Дакле, није могуће закључити о редунданцији независно од специфичних функција малих пилина.

Је промењен.

Преглед под насловом &лдкуоУлога машинерије цијанобактерије типа ИВ пилуса у проналажењу и одржавању повољног окружења&рдкуо од стране Цонрадија, Муллинеаука и Вилдеа описује неколико утврђених аспеката покретљивости цијанобактерија користећи склопове пилуса типа ИВ и проширује претходна истраживања која покривају цијанобактеријска, најновију експерименталну покретљивост. додајући информације о до сада само оскудно описаним механизмима агрегације ћелија и ћелија цијанобактерија. Ова добро написана и свеобухватна рецензија даје само неколико коментара са моје стране, док су у већини случајева феномени описани детаљно, на неким местима, мало детаљније основне информације би биле пожељне за читаоце који нису у потпуности упознати са темом покретљивости цијанобактерија . Препоручујем овај преглед за објављивање јер пружа драгоцен сажетак за истраживаче цијанобактерија и додаје интригантне перспективе будућег истраживања. Међутим, замолио бих да се пре објављивања размотри неколико мањих тачака које су наведене у наставку:

43. ред: Предлажем да уместо пилина напишете &лдкуопилинов протеине&рдкуо.

Ред 48: На слици 1, прва фигура је описана као Т4аП, зар не би требало да буде Т4П? Ако не, шта значи &лдкуоа&рдкуо? У том контексту, при првом помињању неке фигуре у тексту, аутори се одлучују да користе велико &лдкуоФ&рдкуо, док се у каснијем помињању цифара цифра увек пише малим словом &лдкуоф&рдкуо. Молимо уједините.

Ред 60-62: Једна референца на крају реченице би била довољна.

Ред 63: Молимо напишите у потпуности назив врсте Т. тхермопхилус.

Ред 95: Наведите референцу.

Ред: 108: Претпостављам да аутори мисле Анабаена вариабилис?

Линија 118: С обзиром на његову вероватну функцију одржавања без хромозома, протеин је вероватно боље окарактерисан као протеин богат намотаним завојницама уместо као СМЦ протеин.

Ред 141: Молимо напишите у потпуности &лдкуоЛОВ&рдкуо и &лдкуоБЛУФ&рдкуо.

Ред 170: Из овог пасуса није јасна веза фоторецептора и вишећеличности. Молимо или избришите вишећелијност овде или наведите пример такве зависности.

Ред 175: Биофилмови раније нису поменути, зашто се аутори одлучују да овде дају модел у овом контексту? Можда референца на Слику 2 боље функционише у следећем параграфу где се расправља о биофилмима или укратко помене зашто је биофилм посебно добар пример (што и јесте) за фототактичко понашање.

Ред 189: Тврдио бих да склоп ћелија-ћелија није прави приказ бактеријске мултицелуларности. Ово се такође односи и на неке друге редове испод у рукопису. С обзиром да се нека претходна литература слаже са ауторовим описом вишећелијске (нпр. Цлаессен ет ал., 2014), могао бих да разумем да ли аутори више воле да оставе како јесте. Ја бих, међутим, радије описао те склопове као пролазне вишећелијске. Недостају им стабилни контакти ћелија-ћелија и директна комуникација ћелија-ћелија преко пора/канала и не разликују специјализоване ћелије.

Ред 205-208: Да ли је ово хипотеза из тренутног рукописа или из референце 6? Не могу да нађем никакво помињање односа површине и запремине или сродних аспеката у референци 6.

Ред 223: Наведите кратак опис онога што приказује слика 3б. Да ли посматрамо културу у бунару или на плочи за раст или нешто сасвим друго?

Ред 228: Мислим да би било од помоћи дати кратак опис/дефиницију биофилма у односу на флокуле.

246. ред: Запета после знања.

Ред 250-252: Наведите референцу.

Ред 295-298: Која је разлика између типа ИВ и типа Ива пили? Опишите укратко.

Ред 300: &лдкуоимплиес&рдкуо је јака реч овде, можда би &лдкуосуггестс&рдкуо или &лдкуоиндицира&рдкуо боље одговарало, с обзиром на то да аутори неколико редова испод наводе да постоје и друга објашњења.

Ред 385-388: Зашто је изненађујуће што су Иосхихара&рскуос налази на цомА разликују се од налаза из Накасугија надаље цомФ? То су два различита гена који могу имати различите фенотипове након брисања.

Ред 390-391: Било би корисно назначити те протеине на Слици 1 и упутити се на слику овде или на други начин описати како су засновани на пилусу (тј. да ли су у директној интеракцији са неким од поменутих протеина пилуса или слично?) .

Ред 412-427: Мислим да би та два пасуса чинила леп независни наслов (тј. 7. Оутлоок).

Ред 424: Уклоните заграду након референце.

Хвала вам на веома вредним коментарима. Свеобухватно смо ревидирали рукопис као одговор на коментаре сва три рецензента. Наћи ћете коментаре рецензента 3 праћене нашим одговорима подебљаним.

43. ред: Предлажем да напишете &лдкуопилинов протеине&рдкуо уместо пилина.

Слажемо се, променили смо га овде у &лдкуопилинов протеини&рдкуо. Међутим, још увек смо користили термин &лдкуопилинс&рдкуо у рукопису јер се овај термин веома често користи на терену.

Ред 48: На слици 1, прва фигура је описана као Т4аП, зар не би требало да буде Т4П? Ако не, шта значи &лдкуоа&рдкуо? У том контексту, при првом помињању неке фигуре у тексту, аутори се одлучују да користе велико &лдкуоФ&рдкуо, док се у каснијем помињању цифара цифра увек пише малим словом &лдкуоф&рдкуо. Молимо уједините.

Хвала вам на овом важном коментару. Сходно томе смо изменили овај део рукописа (40-44 редови) и сада уводимо систем типа Ива пилус.

Ред 60-62: Једна референца на крају реченице би била довољна.

Променили смо га.

Ред 63: Молимо напишите у потпуности назив врсте Т. тхермопхилус.

Променили смо га.

Ред 95: Молимо наведите референцу.

Увели смо референцу 24.

Ред: 108: Претпостављам да аутори мисле Анабаена вариабилис?

Да, то&рскуос тачно, променили смо то.

Линија 118: С обзиром на његову вероватну функцију одржавања без хромозома, протеин је вероватно боље окарактерисан као протеин богат намотаним завојницама уместо као СМЦ протеин.

Хвала вам на овом коментару, променили смо га у складу са тим (ред 120).

Ред 141: Молимо напишите у потпуности &лдкуоЛОВ&рдкуо и &лдкуоБЛУФ&рдкуо.

Ред 170: Из овог пасуса није јасна веза фоторецептора и вишећеличности. Молимо или избришите вишећелијност овде или наведите пример такве зависности.

Разјаснили смо ову тачку преформулисањем у &лскуобиофилм форматион&рскуо (ред 185). Намера ове изјаве није била да се тврди директна зависност, већ сугерише могућност таквог што би се могло очекивати на основу активности фосфодиестеразе СЛ2, и да би такве студије имале користи од употребе покретног и природног биофилма који формира С. елонгатус УТЕКС 3055 сој.

Ред 175: Биофилмови раније нису помињани, зашто се аутори одлучују да овде дају модел у овом контексту? Можда референца на Слику 2 боље функционише у следећем параграфу где се расправља о биофилмима или укратко помене зашто је биофилм посебно добар пример (што и јесте) за фототактичко понашање.

Слажемо се, сада смо ставили референцу на слику 2 у следећем пасусу (ред 190) и додали реченицу (ред 190-192) о формирању биофилма и његовој могућој вези са одговором фототаксије.

Ред 189: Ја бих тврдио да склоп ћелија-ћелија није прави приказ бактеријске мултицелуларности. Ово се такође односи и на неке друге редове испод у рукопису. С обзиром да се нека претходна литература слаже са ауторовим описом вишећелијске (нпр. Цлаессен ет ал., 2014), могао бих да разумем да ли аутори више воле да оставе како јесте. Ја бих, међутим, радије описао те склопове као пролазне вишећелијске. Недостају им стабилни контакти ћелија-ћелија и директна комуникација ћелија-ћелија преко пора/канала и не разликују специјализоване ћелије.

Према вашем предлогу, уклонили смо &лдкуоммултицеллулар&лдкуо из наслова да бисмо избегли било какву забуну (ред 204). Следећи текст објашњава шта овде подразумевамо под &лдкуоммултицеллулар&лдкуо, што није обавезно да имплицира стабилне контакте ћелија-ћелија или директну комуникацију ћелија-ћелија.

Ред 205-208: Да ли је ово хипотеза из тренутног рукописа или из референце 6? Не могу да нађем никакво помињање односа површине и запремине или сродних аспеката у референци 6.

Хипотеза да филаментна структура флока омогућава већи продор хранљивих материја у флокуле је укратко разматрана у Цонради ет ал., 2019 (првобитно референца 61, сада референца 71).

Ред 223: Наведите кратак опис онога што приказује слика 3б. Да ли посматрамо културу у бунару или на плочи за раст или нешто сасвим друго?

Додали смо сада детаљнији опис (редови 241-242).

Ред 228: Мислим да би било од помоћи дати кратак опис/дефиницију биофилма у односу на флокуле.

Додали смо реченицу да боље дефинишемо флоцс (редови 222-223).

246. ред: Запета после знања.

Ред 250-252: Наведите референцу.

Убацили смо референце 89 и 37 за Тхермосинецхоцоццус и Синецхоцистис рад, односно (ред 262-263).

Ред 295-298: Која је разлика између типа ИВ и типа Ива пили? Опишите укратко.

Ово сада описујемо у редовима 40-44.

Ред 300: &лдкуоимплиес&рдкуо је јака реч овде, можда би &лдкуосуггестс&рдкуо или &лдкуоиндицира&рдкуо боље одговарало, с обзиром на то да аутори неколико редова испод наводе да постоје и друга објашњења.

Промењено (ред 299).

Ред 385-388: Зашто је изненађујуће што су Иосхихара&рскуос налази на цомА разликују се од налаза из Накасугија надаље цомФ? То су два различита гена који могу имати различите фенотипове након брисања.

Да, слажемо се, преформулисали смо дотични одељак да бисмо га разјаснили (редови 405-411).

Ред 390-391: Било би корисно назначити те протеине на Слици 1 и упутити се на слику овде или на други начин описати како су засновани на пилусу (тј. да ли су у директној интеракцији са неким од поменутих протеина пилуса или слично?) .

Иако су ови протеини назначени у достављеним илустрацијама, мислимо да су механизам деловања и потенцијални партнери у интеракцији ЦомА и ЦомФ код цијанобактерија веома нејасни и стога предлажемо да их не укључујемо у овај преглед на слици 1. Уместо тога, ми смо модификовали редови 412-413 да боље одражавају намеравано значење.

Ред 412-427: Мислим да би та два пасуса чинила леп независни наслов (тј. 7. Оутлоок).

Да, сада смо ово променили. Видети нови став 7. Завршне напомене.


1. Факултет биолошког и еколошког инжењерства, Универзитет Бинџоу, Бинџоу 256600, Кина

2. Цоллеге оф Лифе Сциенцес, Централ Цхина Нормал Университи, Вухан 430079, Кина

Аутор за контакт: Гуо-Зхенг ДАИ, Даигз@маил.ццну.еду.цн

Датум пријема: 21.05.2020
Датум прихватања: 27.10.2020
Датум објављивања на вебу:

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 进展, 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.

Покретљивост цијанобактерија је одраз активне адаптације цијанобактерија на спољашње окружење. Кретање цијанобактерија се може поделити у три категорије према типовима и начинима кретања: покретљивост пливања, покретљивост трзања и покретљивост клизања. Овај рад се позива на сродну литературу о покретљивости цијанобактерија, описује различите начине кретања цијанобактерија, сумира могући механизам различитих начина кретања цијанобактерија и наводи питања на која треба одговорити у будућим истраживањима покретљивости цијанобактерија.

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 (Микоцоццус кантхус), 铜绿假单胞菌(Псеудомонас аеругиноса) 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 (Пливање мотилитет), 主要指某些海洋单细胞蓝藻在水中运动的形式, 如聚球藻ВХ8102(Синецхоцоццус сп. ВХ8102) 在水中的运动 (2) 蓝藻蹭动 (мотилност трзања), 主要指某些单细胞蓝藻沿固佚沿固佚沿固佚沿固佚沿固佚沿固当表靺当表靺佚沿固当表蝺当表靑ПЦСинецхоцистис сп. ПЦЦ6803, 下文 简称 为 集 胞 藻) 的 趋 光 运动 (3) 蓝藻 滑动 (Глидинг мотилитет), 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 (Осциллаториалес) 或 念珠 藻 目(ностоцалес) 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] .Ватербури 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 пм, 长度 1.25-2.5 ум, 其 在 液体 中 的 泳 动 速度 5-25 мкм / с [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 р / с 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, 在液体中泳动

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, Есцхерицхиа цоли)一样具有鞭毛, 敲除聚球藻ВХ8102中对某些蓝藻(如集胞藻)蹭动具有重要作пилТпилЦ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 ВХ8102 中, 通过 转 座子 突变 及 表 型 筛选 实验, 发现 一种 命名 为 СвмА (Свимминг покретљивост протеин А), 分子量 为 130 кД, 构成 细胞 С-лаиер 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, МД, 位于 细胞 表层 并 呈 点 状 分布 的 蛋白 СвмБ 对 聚 球 藻 ВХ8102 的 泳 动 过程 也是 必需 的, СвмА 和 СвмБ 都 位于 细胞 表层, СвмБ 编码 基因 突变 并不影响СвмА分布 [ 11 ] 。通过转座子突变实验还发现聚球痻ВХ8102基因组上有2丰синв0087-синв0088及синв0192-синв0195)对该藻泳动是必需的, 其中синв0087和синв0195编码糖基转移酶, синв0193编码Ⅰ型分泌系统中的АБЦ转运子, синв0194 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 СвмА 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 МреБ (мембрански ассоциатед род схапе-одређивање протеина Б) 类似 蛋白, 该 蛋白 可能 对 聚 球 藻 ВХ8102 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 ВХ8113 (Синецхоцоццус сп. ВХ 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 1А) [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 组成 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 МреБ 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 1Б) [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 ] Слика1. Модели за изазивање површинских таласа и пливање маринаца Синецхоцоццус ћелије [ 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 .Вилли 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(Тхермосинецхоцоццус елонгатус)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(Синецхоцоццус елонгатус strain UTEX3055), 其基因组序列与聚球藻PCC7942(Синецхоцоццус елонгатус 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пилА1(sll1694)、пилА9(slr2015)、пилА10(slr2016)、пилА11(slr2017)、пилБ1(slr0063)、пилЦ(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 ] 。пилА1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
Код
基因名称
Gene name
功能概述
Функција
sll1694пилА1Ⅳ型菌毛组成主要亚基
slr2015пилА9Ⅳ型菌毛组成辅助亚基
slr2016пилА10Ⅳ型菌毛组成辅助亚基
slr2017пилА11Ⅳ型菌毛组成辅助亚基
slr0063пилБ1ATP水解酶, 作用于菌毛伸长
slr0161pilT1ATP水解酶, 作用于菌毛缩短
slr0162—0163пилЦⅣ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 Синецхоцистис

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 .ПикЛ (ТакАИ1) 与 Цхеа 同源, ПикГ (ТакП1), ПикХ (ТакИ1) 与 Цхеи 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 .ПикГ (ТакП1) 在 蓝藻 中 属于 Пата家族 蛋白, 除 含有 Цхеи 具有 的 Респонсе-рег 结构 域外, 还 含有 ПАТАН 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 пике (也 属于 ПАТА 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 ПилБ1 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 ПАТА 家族 蛋白 在 趋 光 运动 中 所 行使 功能 类似Цхеи 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 .ПикЈ1 (ТакД1), ПикЈ2 (ТакД'1), ПИКСЛ (ТакАИ1), ПикГ (ТакП1) 和 ПикХ (ТакИ1) 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 ПикД (Пхототакис Д, Слр1694), 该 蛋白 含有 Блуф (Блуе-Лигхт Коришћење ФАД) 结构 域, 可以 结合 ФАД (ФЛАВИН АДЕНИН ДИНУКЛЕОТИД) 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 μмол фотона/(м 2 ·с) 白光, 或0,7 μмол фотона/м2, 或0,7 μмол фотона/м нм (м 2 ·с) 远红光、黄光与绿光]照射下产生避光运动, 而野生型细胞在相光与绿光]照射下产生避光运动, 而野生型细胞在相光与绿光,木相同条 7пикД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彜渗ДпикД - 在单侧较弱光照条件下表型与пикЈ1 -. 突变 株 类似, 但 它 与 ПикЈ1 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, ПикД 可 与其 上游 基因 编码 蛋白 пике (Пхототакис Е, Слр1693) 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Пи10-ПикЕ5(或ПикД10-ПикЕ4) 复合 体 当 接受 强光 [约 997 умол фотона / (м 2 · с) 白光] 照射 后, 该 复合 体 解 聚 为 ПикД 二聚体 及 пике 单体, 暗示 ПикД 与 пике 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 умол фотона / (м 2 · с) 单侧 白光 照射 下, пикЕ - 单突变株及пикДЕ - 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пикД - 单突变株发生避光运动 在243 μмол фотона/(м 2 ·с)пикДЕ - 双 突变 株 会 发生 趋 光 运动, 结合 ПикД 与 пике 在 不同 光照 条件 下 的 差异 互 作 方式, 推测 пике 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 умол фотона / (м 2 · с) 单侧 白光], 野生 型 细胞 内 ПикД 与 пике 绝大多数 以 复合 体 的 形式 存在, 此时 пике 无法 与 ⅳ型 菌毛 合成 动力 蛋白 ПилБ1 相互作用 [81], 细胞 内 感光 蛋白 (可能 为 ПикЈ1) 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, пикД敲 除 会使 突变 株 细胞 内 пике 单体 含量 增加, пике 定位 于 细胞 质膜 周围 可以 直接 与 ПилБ1 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 умол фотона / (м 2 · с)], 野生 型 集 胞 藻 内 ПикД 感应 蓝光 后 与 пике 解 聚, пике 单体 含量 增加 会 与 ПилБ1 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, пикДЕ -. 双 突变 株 细胞 内 感光 蛋白 (可能 为 ПикЈ1) 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 μмол фотона/(м 2 ·с)]照射条仓果表明, 野蚆垞超强蓝光 [1200 μмол фотона/(м 2 ·с)]照射条仓果表明, 野蚆垞超强蓝光пикД -. 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 ПикД 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䌼,пикД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 ПикД 与 пике 的 互 作 方式, 进而 精密 调节 пике 单体 与 ⅳ 型 菌毛 合成 动力 蛋白 ПилБ1 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, 是集胞藻为适薢的信号转导通路显著不同, 是集胞藻为适藻为适薢的信号转导

集胞藻基因组上存在一个基因簇слр1212-слр1213-слр1214在感应УВ-А(Ултравиолет А)并调控细胞运动过程中发挥重要作用, 该基因簇三个向уирС-уирР-лсиР, 其中 任何 一个 基因 突变 都会 使 细胞 向 单侧 УВ-А [25-100 умол фотона / (м 2 · с)] 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УВ-А 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, УирС (УВ сензора одговор интензитет) 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 ГАФ 结构 域, 可以 结合 发 色 团 后 感应 УВ-А (或 紫光) 和 绿光. [83 - 85] .УирС 同时 含有 Хишка 和 ХАТПасе-ц 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 одговор-р 结构 域 的 蛋白 中 .УирР 为 АраЦ 家族 转录 调控 因子, 含有 одговор-р和 ХТХ (Хелик-Турн-Хелик) 结构 域. 蛋白 相互作用 实验 证明 УирС 可以 与 УирР (УВ интензитет одговор Регулатор) 发生 相互作用 [83]. 该 基因 簇 中 编码 的 另外 一个 蛋白 Лсир (светло и стрес интегрисање одговор регулатор) 为 Пата 家族 蛋白, 含有 одговор-р 及 ПАТАН 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 ПилБ1 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ЛсиР与ПикЕ功能类似。转录谱实验表明在85 μмол фотона/(м 2 ·с) 单侧单侧射УВ- уирСуирР突变株中лсиР表达量显著低于野生型, 说明лсиР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 пмол фотони / (м 2 · с) 单侧 绿光, 红光 或 и ЛТ5 умол фотона / ( м 2 ·с)УВ-А照射时, УирС可以与УирР在质膜上形成复合体, 此时УирР无法结合到该基四皠该基лсиР基因启动子区, 使лсиР无法 表达 而 发挥 功能, 细胞 表现 出 趋 光 运动表 型. 当 УирС 接收 单侧 较强 УВ-А [25-100 умол фотона / (м 2 · с)] 照射 后, 构 象 发生 改变 并 发生 自 磷酸 化, УирР会与УирС分离并将磷酸基团转移至УирР中Респонсе-рег结构域, 激活УирР转录活性, УирРлсиР启动 子 区 发挥 转录 激活 功能 [83], 合成 Лсир 通过 与 Ⅳ 型 菌毛 合成 动力 蛋白 ПилБ1 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УирС的自磷酸化以及将磷酸基团向УирР的转移, ЛсиР与ПилБ1的相䞯ゥ隄相䞯

集胞藻中蓝藻型光敏色素Цпх2(Цианобацтериа пхитоцхроме лике протеин2)编码基因突变后细胞会向胞会向单会向单会向单会向单会向单会向单侧 [1μ.с/м. 2 · с)] 照射 方向 运动, 而 野生 型 细胞 在 相同 条件 下 静止不动, 说明 Цпх2 在 抑制 细胞 向 单侧 蓝光 及 УВ-a 方向 运动 的 过程 中 发挥 功能 [86, 87] .Цпх2 的 Н端 ГАФ 结构 域 可 结合 发 色 团 后 响应 红光 及 远 红光, Ц 端 ГАФ 结构 域 结合 发 色 团 后 响应 蓝光 及 绿光 [88 - 91]. 同时 Цпх2 的 Ц 端 还 含有 二 鸟 苷 酸环 化酶 结构 域 ГГДЕФ 及 环 化 二 鸟 苷 酸 磷酸酯 酶 结构 域 ЕАЛ, 这 两个 结构 域 可以 分别 促进 两个 三 磷酸 鸟 苷 (ГТП, гванозин трифосфат) 环 化 形成 ц-ди-ГМП 或 环化 二 鸟 苷 酸 水解 形成 线性 分子 5'-пГпГ, 从而 调控 胞 内环 化 二 鸟 苷 酸 含量 [91 - 93]. 实验 表明 位于 Цпх2 Ц 端 的 ГАФ 和 ГГДЕФ 结构 域 可以 响应 蓝光 后 催化 ц-ди -ГМП 合成, 而 胞 内 ц-ди-ГМП 含量 增加 会 抑制 细胞 运动 [91] .Цпх2 所含 ЕАЛ 结构 域 可以 水解 ц-ди-ГМП, 降低 其 浓度 [91] .Цпх2 通过 感应 光 信号 调控 ГГДЕФ和 ЕАЛ 结构 域 活性 控制 胞 内 ц-ди-ГМП 含量 进而 影响 细胞 运动 [91]. 近期 研究 表明 Цпх2 可以 通过 调控 胞 内 ц-ди-ГМП 浓度 影响 运动 相关 基因 表达, 在 5 умол фотона / (м 2 ·с. пилА5-пилА6基因表达显著下降, пилА9-пилА11表达量显著上升, 而цпх2 突变 株 在 相同 条件 下 胞 内 ц-ди-ГМП 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] .Ц-ди- ГМП 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, ИцгР 蛋白 可以 在 结合 ц-ди-ГМП 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ИцгР同源蛋白, 也未有关于调控运动相关蛋白关蛋白可以白可以白可以白可以白可以Вибрио цхолерае) 中 研究 表明 МсхЕ (Маноза осетљива хемаглутинин Е) 型 АТП 酶 可以 与 ц-ди-ГМП 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 ПилБ1,因此 推测 ц-ди-ГМП 通过 与 ПилБ1 结合 影响 ПилБ1 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 Слр1143 蛋白 含 ГГДЕФ 结构 域 并可 催化 ц-ди-ГМП 合成,该结构域可与Цпх2的Ц端ГГДЕФ及ЕАЛ结构域发生相互作用, слр1143 突变 后 细胞 可 在 较强 [40 умол фотона / (м 2 · с)] 红光 (640 нм) 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] .Слр1143 的 Ц 端 含有 ГАФ 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 Цпх2 控制 胞 内 ц- ди-ГМП 含量 调控) 或 产生 趋 光 或 避光 运动 (如 通过 ПАТА 家族 蛋白 пике, ПикГ, Лсир 与 ⅳ 型 菌毛 合成 动力 蛋白 ПилБ1 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 ПилБ1 实现 对 集 胞 藻 蹭 动 调控, 研究 表明 ПилБ1 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 ПилБ1 在 细胞 内 的 定位 对 细胞 完成 趋 光 或避光 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 ПилТ1 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 ПилТ1 同源 蛋白 ПилТ2, ПилТ2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 ПилТ2 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
Гене код
基因名称
Име гена
蛋白结构域
Домаин
功能概述
Функција
参与趋光运动感光基因
слл0041пикЈ1, такД1ГАФ, МЦПсигнал感应蓝绿光, 参与趋光运动
слл0821цпх2ГАФ, ГГДЕФ, ЕАЛ, ПХИ感应红光远红光及蓝绿光,
抑制细胞向蓝光和УВ-А运动
слр1694пикДБЛУФ感应蓝光, 参与趋光运动
слр1212уирСГАФ, ПАС, ХисКА, ХАТПасе-ц感应УВ-А与绿光,
参与УВ-А照射下的避光运动
参与趋光运动信号转导基因
слл0038пикГ,
порезП1
Респонсе-рег, ПАТАН趋光运动信号转导
слл0039пикХ,
такИ1
Респонсе-рег趋光运动信号转导
слл0042пикЈ2,
порезД'
МЦПсигнал趋光运动信号转导
слл0043пикЛ,
такАИ1
ЦхеВ, Респонсе-регХАТПасе-ц, Хпт趋光运动信号转导
слр1143цип1ГАФ, ГГДЕФ抑制趋光运动信号转导
слр1693пикЕРеспонсе-рег, ПАТАН趋光运动信号转导
слр1213уирРРег. одговора, ХТХ-18转录调控因子, 避光运动信号转导
слр1214лсиРРеспонсе-рег, ПАТАН避光运动信号转导
слл1533пилТ2Т2ССЕ, ААА-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.

Сигма因子 Бхаиа等 [ 29 ] 报道集胞藻中СигФ(Сигма фактор Ф, СигФ)对细胞运动是必需的, сигФ突变株中Ⅳ型菌毛组成亚基ПилА1编码基因表达量显著降低, 细胞表层Ⅳ型, 细胞表层Ⅷ型菶层Ⅳ型

腺苷酸 环 化酶 及 цАМП 依赖 型 转录 调控 因子 集 胞 藻 中 腺苷酸 环 化酶 Циа1 (аденилат циклазе 1, Слр1991) 突变 也 会使 细胞 丧失 趋 光 运动 能力, 而 在外 源 添加 цАМП (цикличног аденозин монофосфат)后, циа1 突变 株 恢复 趋 光 运动 能力, 说明 第二 信使 цАМП 及 腺苷酸 环 化酶 Циа1 在 调控 细胞 趋 光 运动 方面 具有 重要 功能 [100]. 集 胞 藻 中 цАМП 结合 蛋白 Сицрп1 (Синецхоцистис цАМП Рецептор Протеин 1, Сицрп1) 对 细胞 运动 是 必需 的 [49] .Сицрп1 作为 ЦРП (цАМП Рецептор Протеин) 家族 转录 调控 因子, 含有 ц-НМП везујући 结构 域 及 ХТХ (Хелик-Турн-Хелик) 结构 域, 体外实验表明Сицрп1的ц-НМП везивање结构域可以结合цАМП [101] 。сицрп1 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пилА9-пилА10-пилА11-слр2018操纵子 [ 102 ] , 该操纵子中ПилА9、ПилА10和ПилА11直接参与到Ⅳ型菌毛装配过与到Ⅳ型菌毛装配过 丏嘋渭中配过слр1667-слр1668操纵子, 该操纵子中的两个基因分别命名为цццСцццП, 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 ЦЦЦС 主要 定位 于 细胞 表层, цццп 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 Слр1668 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] .Сицрп1 可以 直接 结合 到слр1667-слр1668 操纵子启动子区域调控该启动子表达 [ 102 ] 。集胞藻中存在一个区域调控该启动子表达 [ 102 ] 。集胞藻中存在一个中区木个与Сицрп1Синецхоцистис цАМП Рецептор Протеин 2), 体外实验表明Сицрп2中ц-НМП везивање 结构域无法与цАМП结合 [101] , 但сицрп2突变株也会影响集胞藻运动情况 [94, 105] 。进一步研究表明сицрп2突变株中пилА9-пилА10-пилА11-слр2018操纵子转录水平显著下调, 且Сицрп2可以与Сицрп1发生相互作用, Сицрп1可以直搎пилА9-пилА10-пилА11-слр2018 操纵 子 的 启动 子 区, Сицрп2 与 Сицрп1 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, цАМП 通过 与 ЦРП 家族 转录 调控 因子 Сицрп1 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цАМП调控集胞藻趋光蚍集胞藻趋光蚍馛趋光运

信号转导蛋白 集胞藻基因组上存在一个操纵子слр1041-слр1042-слр1043-слр1044, 分别命名为пилГ-пилХ-пилИ-пилЈ。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 6胞 ケ哐细 6胞пилГ突变会使细胞运动能力减弱, пилХпилИпилЈ突变会使细胞丧失运动能力, пилХ突变会使细胞表层Ⅳ型菌毛增多, пилИпилЈ突变 会使 细胞 表层 Ⅳ 型 菌毛 显 著 减少 [106] .ПилГ 属于 Цхеи 类似 蛋白, 并且 属于 пата 家族 蛋白, ПилХ 属于 Цхеи 类似 蛋白, пили 属于 Цхев 类似 蛋白, Пиљ 为 含有 МЦП 结构 域 蛋白, 该 操纵 子编码蛋白种类与пикЈ2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 пилулу 同源 蛋白 由 两个 独立 开放 阅读 框 编码,分别是пилЛ-Н(слр0073)和пилЛ-Ц(слр0322)。пилЛ-Н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 ] 。пилЛ-Ц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] .ПилЛ-Н 含有 Хпт (Хистидине садржи пхоспхотрансфер) 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 .ПилЛ-Н 含有 Х-кинасе_дим, ХАТПасе_ц 及 Респонсе-рег 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型菌毛合成并合成并合成并合成并

分子 伴侣, АБЦ 转运 子, 丝氨酸 / 苏 氨酸 蛋白 激酶 和 未知 功能 蛋白 .Бхаиа 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слл0058、слл0415、слл0564、слл0565、слл1575, слр1301、слр1964、слл0183和слл0301。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,слл1384和слр1443 [108, 109]. 这些 基因 分别 编码 不同 类型 蛋白 .Слл0058 属于 分子 伴侣 蛋白 ХСП70 (топлотног шока протеинска фамилија 70) 家族, Слл1384 属于 分子 伴侣 蛋白 Хсп40 (топлотног шока протеинска фамилија 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 .Слл0415 属于 АБЦ (АТП Биндинг касету) 转运 子, 在 集 胞 藻 中 可能 参与 转运 影响 运动 相关 蛋白 .Слл1575 (СПКА, серин / треонин протеин киназа А) 和 Слр1443 (СПКЕ , серин/треонин протеин киназа Е)属于真核生物丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶类似蛋白, слл1575突变会使胞内少量菌毛亚基编码基因操纵子пилА9-пилА10-пилА11转录水平显著下调, 进而影响细胞运动 [110, 111] 。слр1443 突变 会使 成熟 ПилА1 的 数量 减少, 表明 Слр1443 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] .Слл0564 属于 泛 醌 甲基 转移 酶 类似 蛋白 .Слл0565 编码 基因 在 基因 组 上 位于 Слл0564编码 基因 下游, Слл0565 富含 谷氨酸 和 谷氨酰胺 .Слр1301 也 富含 谷氨酸 和 谷氨酰胺, 并 可以 形成 螺旋 线圈 结构 .Слр1964 富含 谷氨酰胺 .Слл0183 和 Слл0301 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, 其影响绐能未知蛋白, 含有一些未知功能结构域, 其彥响绐能彥响绐能彥响绐能

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, Ианг 等 [31] 从 野外 环境 中 分离 到 一株 聚 球 藻 УТЕКС3055 并 对其 趋 光 运动 机制 进行 了 深入 研究. 聚 球 藻 УТЕКС3055 基因 组 测序 与聚 球 藻 ПЦЦ7942 相似度 达 98.5%, 但 与 聚 球 藻 ПЦЦ7942 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УТЕКС3055_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слл0038-слл0043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УТЕКС3055_0945-0946编码ЦхеИ类似蛋白, УТЕКС3055_0947、УТЕКС3055_0950编码ЦхеВ类似蛋白, УТЕКС3055_0948编码含有МЦП及ГАФ等结构域蛋白, УТЕКС3055_0949编码ЦхеА类似蛋白 [31] 。УТЕКС3055_0945-0946 突变 细胞 丧失 趋 光 运动 能力, 在 50 пмол фотони / (м 2 · с) 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слл0038-слл0043基因簇中相关基因突变后表型不同, УТЕКС3055_0945-0946突变细胞并未展现出避光运动表型 [31] 。УТЕКС3055_0947, УТЕКС3055_0950突变并未影响细胞趋光运动能力 [ 31 ] 。УТЕКС3055_0948与УТЕКС3055_0949 突变后细胞在50 μмол фотона/(м 2 ·с)УТЕКС3055_0948编码蛋白与集胞藻中ПикЈ1/ТакД1类似但并不相同, УТЕКС3055_0948 编码 蛋白 Н 端 含有 5 个 ГАФ (编号 ГАФ1-5) 结构 域, 且 都 包含 在 发 色 团 结合 及 感光 方面 发挥 重要 作用 的 两个 半胱氨酸 残 基 [31]. 体外 表达 ГАФ2 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ГАФ结构埆结构埆结构埆发现, 5% ФГАУТЕКС3055_0948 突变 表 型 一致, 细胞 在 50 умол фотона / (м 2 · с) 单侧 白光 照射 条件 下 不会 发生 趋 光 或 避光 运动, 单独 敲 除 ГАФ4 或 同时 敲 除 ГАФ4 及 ГАФ5 细胞 在 单侧 白光照射 条件 下 发生 避光 运动, 同时 敲 除 ГАФ1-3 或 ГАФ2-4 或 ГАФ1-4 或 ГАФ1-3, ГАФ5 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УТЕКС3055通过调控УТЕКС3055_0948 编码 蛋白 中 不同 ГАФ 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 УТЕКС3055 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 УТЕКС3055 细胞 呈 棒状, 但 其 感光 机制 可能 与 呈 球状 的 集 胞 藻 类似, 单侧 光线 从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УТЕКС3055细细胞兆УТЕКС3055_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戉趋光戉閼

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 无机营养 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 УирС 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СинЕтр1(Синецхоцистис Етхилене Респонсе1), СинЕтр1 结合 乙烯 的 结构 域 为 位于 Н 端 的 3 个 跨膜 结构 域, СинЕтр1 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 趋 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 ум / с [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(Осцилаторија)、席藻属(Пхормидиум)和鞘丝藻属(Лингбиа) 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Пхормидиум унцинатум, 有些逆时针旋转如Осциллаториа принцепс [ 114 ] 。而念珠藻科某些蓝藻如鱼腥藻属(Анабаена) 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 У 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 5-8мин, 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 (Осцилаторија), 鞘丝藻属(Лингбиа), 席藻属(Пхормидиум) 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 нм), 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Осциллаториа анималис, Осцилаторија сој А2, 有些位于外膜外层С-слој上, 例如Пхормидиум унцинатум。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表层产生波动力, 进而使细胞沿着底物接触面滑11 9 17 14 9Пхормидиум унцинатум) 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 С-лаиер 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 С-лаиер 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 .Волгемутх 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需要更多的实需要更多的实验

图3 解释丝状蓝藻滑动的表层波动模型模式图 Слика 3. Дијаграм модела за приказ површинских таласа које производе клизне ћелије филаментозних цијанобактерија 图4 解释丝状蓝藻滑动的黏液喷出模型模式图 Слика 4. Дијаграм модела екструзије слузи за клизање у филаментозним цијанобактеријама

3.3 藻殖段滑动现象描述

藻 殖 段 (Хормогониа) 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 (ностоцалес) 和 真 枝 藻 目 (стигонематалес) 中 某些 属 内 的丝状蓝藻, 如念珠藻属(Ностоц), 侧生藻属(Фисцхерелла)均可在特定环境下产生藻殖段。以点状念珠藻(Ностоц пунцтиформе) 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 48-72х, 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 мкм / с, 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

Робинсон等 [ 126 ] 报道真枝藻目中的层理鞭枝藻(Мастигоцладус ламиносус) 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 某些 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Цалотхрик сп ПЦЦ 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 时显著上调表达 [ 125 , 128 ] 。当插入失活пилАпилБпилТ1пилК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 Пила 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 Пила 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。一个是有个是有хмп(Хормогониа покретљивост и полисахарид) 基因 簇, 编码 趋 化 运动 信号 转 导 相关 蛋白 的 同源 蛋白, 其中 ХМПА 和 ХмпБ 为 Цхеи 类似 蛋白, ХПМЦ За Цхев 类似 蛋白, ХмпД 为 含有 МЦП 结构 域 蛋白, ХмпЕ 为 Цхеа 类似蛋白, 突变 株 表 型 检测 表明, 除 ХМПА 外, ХмпБ-Е 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хпс(систем лучења полисахарида Хормогоније) 基因簇, 编码糖基转移蛋白和少量菌毛亚基同源蛋白 [ 128 ]хпсА-Г对藻殖段运动都是必需的, хпсБ-Д编码少量菌毛亚基同源蛋白, 可能辅助Ⅳ型菌毛组成亚基ПилА组装并发挥] [12装并发挥] 功хпсЕ-Г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竆开放阅хпсХ, 该基因编码蛋白与ХпсБ-Д具有同源性, 也可能辅助Ⅳ型菌毛组成亚基ПилА组菑,也可能辅助Ⅳ垆成亚基ПилА组菑хпсХ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 хмпф, ХмпУ, ХМПВ, ХмпВ, ОГТА (О-линкед-β-Н-ацетилгликозамин трансфераза А), СигЦ, СигФ 和СигЈ [ 131 - 134 ] 。点状念珠藻藻殖段中ХмпФ与菌毛组成亚基ПилА具有类似的定位,中盇的定位, хмпФ突变 株 运动 能力 完全 丧失, 且 突变 株 中 胞 外 Пила 含量 显 著 下降, 说明 хмпф 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].хмпУхмпВ突变株藻殖段运动受到抑制, 菌毛组成亚基ПилА在胞外的积累减少 хмпВ突变株藻殖段运动能力增强 хмпВ突变后пилБхмпФхпсЕ等 与 藻 殖 段 运动 相关 基因 表达 量 显 著 下调 ХмпВ 与 ХМПВ 可以 发生 相互作用, ХмпУ 与 ХмпВ 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 ХМПВ 的 磷酸 化 状态 从而 影响 下游 与 藻殖 段 运动 相关 基因 表达 或 蛋白 定位, 进而 影响 藻 殖 段 运动 [132] .ОГТА 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 藻殖 段 菌毛 组成 亚基 ПИЛА 积累, 进而 影响 藻 殖 段 运动 [133]. 点 状 念珠 藻 中 СигЦ, СигФ 和 СигЈ 编码 基因 突变 均 会使 藻 殖 段 完全 丧失 运动 能力, сигЦ突变株中胞外菌毛组成亚基ПилА积累量显著下降, сигФсигЈ突变 株 中 胞 内外 菌毛 组成 亚基 Пила 含量 均 显 著 下降 СигЈ 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, СигЦ 主要 影响 细胞 分裂相关基因表达, СигФ主要调控菌毛组成亚基编码基因пилА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].

Кхаиатан 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 协同 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Осцилаторија сп.可以在光照条件下产生向较高浓度二氧化碳、碳酸氢盐及氧气环氧气环境滑动, 13 环境滑动 Осциллаториа теребриформис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, Пхоннидиум унцинатум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 ] 。Анабаена вариабилис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 一些处于 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Гуерреро Негро [ 140 ] 发现的高盐底栖微生物垫, 其中的丝状蓝藻Осцилаторија сп.和Спирулинасубсалса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 Салинс-де-Гирауд [141] 发现 的 高 盐 微生物 垫 中 的 丝状 蓝藻Мицроцолеус цхтонопластес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нпФ2161-нпФ2168 与 藻 殖 段 趋 光 运动 有关, 其中 НпФ2164 和 НпФ2165 是 藻 殖 段 趋 光 运动 所 必需 的 [142] .НпФ2164 含有 МЦП 结构 域 及 7 个 ГАФ 结构 域, 靠近 Ц 端 的 第 7 个 ГАФ 可以 结合 发色 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 Цхеи 类似 Пата 家族 蛋白 (含 ПАТАН 结构 域) 与 ⅳ型菌毛合成动力蛋白ПилБ1相互作用影响Ⅳ型菌毛合成与分布, 该相互与分布, 该相互作用肍? ПатА家族蛋白与ПилБ1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 Пата 家族 蛋白 有 六个, 均 含有 одговор-р 和 ПАТАН 结构 域, 已 报道 实验 数据 表明 该 家族 中 Пике 可以 与 ПилБ1 相互作用, 另外 五个 是否 都 与 ПилБ1 相互作用?该 家族 中 пике 与 Лсир 对 细胞 在 单侧 光照 下 的 避光 运动 至关重要, 而 ПикГ 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 ПилБ1 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(цАМП)及环化二鸟苷酸(ц-ди-ГМП)在调控集胞藻蹭动中具胞藻蹭动中具体цАМП是否只是通过与ЦРП类转录调控因子结合影响Ⅳ型菌毛合成相关蛋相关蛋白关蛋白录调控因子结合影响Ⅳ型菌毛合成相关蛋相关蛋白录调控因子结合影响Ⅳ型菌毛合成相关蛋相关蛋白录调控因影响ц-ди-ГМП是否直接通过与ПилБ1或ПилТ1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丧失的各突变基因所编码蛋白在细胞运动过程中的过程中的? (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 .СвмА 和 СвмБ 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 УВ 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 改变 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 ] Слика1. Модели за изазивање површинских таласа и пливање маринаца Синецхоцоццус ћелије [ 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 Слика 2. Путеви фотосензивне трансдукције сигнала у фототаксији и моделу синтезе типа Ⅳ пили ин Синецхоцистис 图3 解释丝状蓝藻滑动的表层波动模型模式图 Слика 3. Дијаграм модела за приказ површинских таласа које производе клизне ћелије филаментозних цијанобактерија 图4 解释丝状蓝藻滑动的黏液喷出模型模式图 Слика 4. Дијаграм модела екструзије слузи за клизање у филаментозним цијанобактеријама

АКТУЕЛНА ПИТАЊА

У овом одељку укратко сумирамо нека од многих отворених питања у прокариотској фототаксији, фотопонашању и перцепцији усмерене светлости.

Локализација и интеракције фоторецептора, претварача сигнала и апарата за покретљивост

Не постоји пример прокариотског фотопонашања који је у потпуности схваћен у смислу да је познат комплетан пут трансдукције сигнала од фоторецептора до апарата за покретљивост. Чак иу добро окарактерисаном случају Х. салинарум, коначни прекидач који контролише правац ротације архелума није схваћен. У цијанобактеријама је познато мноштво фоторецептора и претварача сигнала који утичу на фототаксију. Међутим, остаје неизвесно која од ових компоненти је укључена у усмерену перцепцију светлости, а познавање пута трансдукције сигнала који води до контроле активности типа ИВ пилија остаје непотпуно. Сматрамо да су потребне две линије даље истраге. Прво, морамо да знамо субћелијску локализацију фоторецептора и претварача сигнала, идеално са динамичким информацијама о променама у локализацији током покретања покрета. Ове информације би у принципу могле доћи из комбинације флуоресцентног означавања протеина и флуоресцентне микроскопије, иако мали број копија многих протеина за трансдукцију сигнала може узроковати проблеме са овим приступом код цијанобактерија, које имају релативно високу позадину аутофлуоресценције. Друго, морамо знати много више о међумолекуларним интеракцијама. На пример, који, ако их има, регулатори одговора директно комуницирају са моторима типа ИВ пилус у цијанобактеријама? Ове информације могу доћи из низа техника: нпр. ин виво ФРЕТ, афинитетни падајући и двохибридни системи.

Адаптација и динамички опсег

Заједничка карактеристика система фотоперцепције у свим доменима живота је присуство адаптације која прилагођава фотоперцепцију и трансдукцију сигнала преовлађујућем интензитету светлости. Адаптација ефективно повећава динамички опсег система, омогућавајући му да реагује на много шири опсег преовлађујућих интензитета светлости. Такви механизми прилагођавања су вероватно карактеристика прокариотских фотобихејвиоралних одговора, али знамо врло мало о томе како би могли да функционишу. Метилација од Р. спхаероидес (Корт ет ал. 2000) и Х. салинарум (Пераззона и Спудицх 1999) МЦП су ретки примери прокариотских реакција адаптације на светлост који су бар делимично схваћени. У цијанобактерији Синецхоцистис, фокусирање светлости од стране ћелија изазива отприлике 4 пута разлику у интензитету светлости између предњег и задњег дела ћелије (Сцхуергерс ет ал. 2016). Међутим, опсег интензитета светлости преко којих Синецхоцистис делује много веће од овога (Нг, Гроссман и Бхаиа 2003), што указује на потребу за системом прилагођавања светлости. Неки од бројних Синецхоцистис фоторецептори и претварачи сигнала који су укључени у фототаксију (Табела 2) могу бити укључени у адаптацију на преовлађујуће светлосне услове, а не у перцепцију усмерене светлости или пребацивање између позитивне и негативне фототаксије, али детаљи остају да се разоткрију.

Интегрисање више сигнала за сложене одлуке

Као што је горе поменуто, избор оптималних светлосних услова за фотоаутотрофни раст могао би бити изузетно сложен, укључујући процену снабдевања хранљивим материјама и гасом и присуство конкурената, симбиотских партнера и предатора, као и једноставну процену квалитета и интензитета светлости. Из доброг разлога, ми тежимо да минимизирамо ове компликоване факторе у лабораторијским експериментима где тражимо поновљиве резултате и одговоре на једноставна питања. Без обзира на то, у неколико прокариота постоје наговештаји о сложености обраде информација која може ући у одлуке о покретљивости у стварном свету. Код љубичастих фотосинтетских бактерија, вероватно постоји унакрсни разговор између светлосних сигнала, метаболичког статуса ћелије и нивоа кисеоника (Армитаге 1997). Код цијанобактерија ситуација је још сложенија. Синецхоцистис је опремљен са више фоторецептора и прави софистициране изборе о свом смеру покретљивости у сложеним светлосним режимима (Цхау, Бхаиа и Хуанг 2017). Штавише, показало се да етилен утиче на фототаксију путем интеракције са УирС УВ-А фоторецептором (Лацеи анд Биндер 2016). Присуство порез2 и порез3 оперони, чији производи вероватно утичу на покретљивост као одговор на некарактеристичне хемијске или механичке сигнале, наговештава даљу сложеност у контроли Синецхоцистис покретљивост. Природа сложене обраде информација у овим сићушним појединачним ћелијама биће фасцинантна тема за будућа проучавања.

Фотопонашање и усмерена перцепција светлости код нефототрофних прокариота

Многи нефототрофни прокариоти поседују фоторецепторе, а показало се да светлосни сигнали утичу на бројне физиолошке процесе код нефототрофа, укључујући развој и вируленцију (Пурцелл и Цроссон 2008 Бономи ет ал. 2016). Није нам познат ниједан случај у којем је показано да нефототрофни прокариот користи усмерено детектовање светлости, као што је показано за цијанобактерију Синецхоцистис (Сцхуергерс ет ал. 2016). Међутим, пошто је основа детекције усмереног светла у Синецхоцистис је микрооптичко сочиво, а не сенчење (Сцхуергерс ет ал. 2016), висок садржај ћелијског пигмента није услов за перцепцију усмерене светлости. Наша сопствена прелиминарна истраживања сугеришу да су ефекти микрооптичког сочива и таласовода могући у низу нефототрофних микроба, што сугерише да би перцепција усмерене светлости потенцијално могла бити широко распрострањена код нефототрофних прокариота. Да узмем један пример, Агробацтериум тумефациенс има пар бактериофитохромних фоторецептора (Карниол и Виерстра 2003) и развојни пут који укључује стварање места везивања супстрата на једном полу ћелије (Хеиндл ет ал. 2014). Да ли сензор усмереног светла игра улогу у одређивању који стуб ћелије постаје место везивања? Студије субћелијске локализације фоторецептора би дале први траг о њиховом могућем учешћу у детекцији усмереног светла. Такви фоторецептори треба да се налазе око периферије сферних ћелија, или на половима ћелија у ћелијама у облику штапа.

Која је улога фотопонашања у стварном свету?

Скоро сво наше знање о фотопонашању прокариота потиче из лабораторијских студија ћелија у релативно једноставним ситуацијама. Такве студије дају очигледне назнаке могућих предности фотопонашања у природном окружењу, али не откривају директно околности у којима би фотопонашање могло бити селективно повољно. Редак пример запажања прокариотског фотопонашања у природном окружењу потиче од студија диел миграције филаментозне цијанобактерије Осцилаторија сп. унутар заједница простирача, где је јасно да фотосенсинг има велики утицај на кретање, иако није једини фактор (Рицхардсон и Цастенхолз 1987 Гарциа-Пицхел, Мецхлинг и Цастенхолз 1994). Цијанобактеријске врсте мигрирају вертикално унутар биофилма на удаљености од 1 мм током дневних циклуса, мигрирајући наниже током дана и нагоре током ноћи (Гарциа-Пицхел, Мецхлинг и Цастенхолз 1994). Сложено фотопонашање једноћелијских врста као нпр Синецхоцистис мора бити важно у сличним контекстима, али то остаје да се истражи. Циркадијални ритмови и дневни циклуси у великој мери утичу на физиологију цијанобактерија (Ангермаир ет ал. 2016) и могао би дати још један допринос одлукама о покретљивости једноћелијских цијанобактерија. Према нашим сазнањима, ово још није тестирано. Надамо се да ћемо једног дана разумети како цијанобактерије обрађују сложене информације из вишеструких еколошких знакова да би дошле до одлука о покретљивости, и како је ово понашање релевантно за њихов опстанак у природном окружењу.