细菌间隙连接的结构和功能

来源：BioArt

多细胞生物在长期的进化过程中逐渐形成了复杂的细胞间通讯机制，以传递内部和环境信号，调节细胞间的分工协作【1】。丝状蓝藻（Filamentous cyanobacteria）是一种能进行细胞间通讯的多细胞生物，在缺氮条件下，菌株沿菌丝半规则分化固氮异型细胞，为临近的营养细胞提供谷氨酰胺和二肽β-天冬氨酸形式的固氮产物。反过来，营养细胞则通过光合作用固定CO2，为异型细胞提供蔗糖作为碳和能量来源【2】。

除了代谢物间的相互作用，细胞沿菌丝分化模式的建立还需要交换信号分子（图1）。交换的信号分子需要穿过菌丝中相邻细胞之间的隔膜。在多细胞蓝藻菌中，这个隔膜包含一个肽聚糖(PG)盘和两层细胞质膜。外膜能在不进入隔膜的情况下连续包围整个菌丝，而隔膜PG中存在的纳米孔对于维持细胞间的通讯必不可少【3】。近年来，研究人员利用电子断层成像技术揭示了细胞间隙的直接连接通道具有蛋白质类似性，并将其称为“间隙连接（septal junctions, SJs）”【4】。SJs的功能如此重要，但其结构组成仍未完全解析，膜蛋白FraC、FraD、SepJ以及SjcF1被认为是SJs的组成单位【5】。通过SJs的分子交换是基于扩散作用发生的，然而SJs是否控制以及如何控制压力环境或应激条件下细胞间的信息交流，仍然未知。蓝藻细丝内的单个细胞能够因捕食者的攻击、剪切力或衰老而破裂或死亡，且当夹层的异型细胞死亡时，丝状体也会断裂。在这种环境下，生物体是如何保全剩余菌丝存活的也是值得研究的问题。

图1

2019年7月11日，来自瑞士分子生物与生物物理研究所的Martin Pilhofer教授团队，在Cell发表题为Structure and Function of a Bacterial Gap Junction Analog的文章，利用低温电子断层扫描等技术，揭示了蓝藻细菌中原始类型的细胞间连接的结构和作用机制。

研究者首先利用电子冷冻断层成像技术（electron cryotomography, ECT）解析Anabaena细胞的SJs在原位和近自然状态下的结构，发现营养细胞间隙中有许多类似SJs的结构，呈管状横贯营养细胞间隙，包含管（Tube）、塞（Plug）和帽（Cap）三个模块（图2）。

图2

随后作者利用光漂白荧光恢复技术（fluorescence recovery after photobleaching, FRAP）监测存在质子压力下的钙交换率，发现当消除细胞间的质子跨膜梯度时，超过80%的细胞停止钙交换，细胞间交流被阻遏。而恢复细胞的质子跨膜梯度后，大多数细胞恢复交流，表明分子交换的抑制效果是可逆的。这种交换的可逆性是建立在SJs的开放机制的基础上，且独立于蛋白从头合成过程。

为检测SJs的大分子结构在细胞交流时是否发生变化，作者分析了冷冻无质子跨膜梯度的Anabaena细胞，获得了间隙区域断层成像。结果表明，帽状模块发生了显著的构象变化，管状和塞状结构则保持不变。由于AmiC1、SepJ和SjcF1在纳米孔和SJs结构的形成中发挥了重要功能，因此作者分析了这几种蛋白的SJ突变结构，以及它们控制细胞间分子交换的功能。断层成像显示amiC1突变体的SJs处于开放状态，与野生型相比无结构差异。在无质子跨膜梯度处理后用FRAP监测细胞间的分子交换，发现同样超过80%的细胞表现出无细胞交流，少量的SJs仍然可以切换到关闭状态。与之前研究结果一致，酰胺酶AmiC1不是SJs的主要结构组件，且在门控机制中不发挥作用。此外，sepJ突变体细胞表现出细胞间交流减弱，可能是由于SJs总数较低所致的。结合已有研究，说明SepJ不是SJs的主要结构组件，其更可能在协调隔膜成熟以及酰胺酶依赖性纳米孔的精确配置方面起着重要作用。同样方法对SjcF1突变体进行研究，表明SjcF1也不是SJs的主要结构组件，而在纳米孔的形成过程中发挥调节功能。

有研究表明，FraC和FraD也与SJs有关，并对菌丝的完整性也很重要【5】。作者对fraC、FraD以及FraC-FraD双突变体的SJs结构进行分析，结果表明FraD和FraC-FraD突变体的SJs缺少帽状和塞状模块。而FraC突变体呈现异构表型，包含完整组装的SJs、无帽无塞的SJs以及错误装配的SJs。FRAP分析结果表明帽状或塞状结构与SJs的关闭有关，用于终止细胞间的分子扩散。FraC对于SJs组件定位和组装的校准发挥着重要功能，FraD则最有可能是SJ的主要结构组件。为进一步探究FraD是否为SJs的结构组件，作者构建了FraD N-端融合表达GFP的突变体。对突变体进行断层成像以及FRAP分析，表明FraD是SJs的主要结构组件，定位于塞状模块。盖状和塞状结构形成一个功能单元，为细胞间交流提供结构基础和门控机制。

在不同环境条件下，细胞间信息交流的门控机制非常重要，因此作者进一步分析了氧化压力和缺乏光照条件是否会影响SJ的闭合。通过FRAP分析和ECT成像，表明氧化压力和黑暗环境均可诱导SJs结构的关闭，从而影响门控细胞间的分子交换。综上所述，蓝藻细菌的SJs是一种动态门控性的细胞间连接结构，在不同类型的压力条件下，能够可逆地阻断细胞间隙沿菌丝的分子扩散（图3）。

图3 SJs通过构象变化可逆性的门控细胞间交流

蓝藻细菌间隙连接的原位结构分析揭示了它是一种可门控的细胞间交流通道，SJ与后生动物中的缝隙连接极为相似，但它比后生动物缝隙连接早出现了10亿多年。在这些不同的谱系中，动态门控机制的趋同进化反映了多细胞生物中分子交换控制机制的重要性，以协助机体在特定的代谢条件下或在捕食或分裂时停止交流。而在压力条件下，间隙连接的关闭可以防止细胞质成分泄漏到受损的细胞中，从而避免整个多细胞生物生存状态的恶化，是一种跨越物种的普遍生存调节策略。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.05.055

制版人：珂

参考文献

1. Brunet, T., and King, N. (2017). The origin of animal multicellularity and cell differentiation. Dev. Cell 43, 124–140.

2. Cumino, A.C., Marcozzi, C., Barreiro, R., and Salerno, G.L. (2007). Carbon cycling in Anabaena sp. PCC 7120. Sucrose synthesis in the heterocysts and possible role in nitrogen fixation. Plant Physiol. 143, 1385–1397.

3. Nurnberg, D.J., Mariscal, V., Bornikoel, J., Nieves-Morion, M., Krauß, N., Herrero, A., Maldener, I., Flores, E., and Mullineaux, C.W. (2015). Intercellular diffusion of a fluorescent sucrose analog via the septal junctions in a filamentous cyanobacterium. MBio 6, e02109.

4. Flores, E., Herrero, A., Forchhammer, K., and Maldener, I. (2016). Septal junctions in filamentous heterocyst-forming cyanobacteria. Trends Microbiol. 24, 79–82.

5. Rudolf, M., Tetik, N., Ramos-Leon, F., Flinner, N., Ngo, G., Stevanovic, M., Burnat, M., Pernil, R., Flores, E., and Schleiff, E. (2015). The peptidoglycan binding protein Sjcf1 influences septal junction function and channel formation in the filamentous cyanobacterium Anabaena. MBio 6, e00376.