宋煒鈺 張連舉 戴國(guó)政

(1.濱州學(xué)院生物與環(huán)境工程學(xué)院,濱州 256600;2.華中師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,武漢 430079)

藍(lán)藻又稱藍(lán)細(xì)菌,是地球上最早出現(xiàn)的光合放氧生物[1]。人們通常認(rèn)為真核生物中光合細(xì)胞器(如高等植物葉綠體)的起源可能是吞噬性宿主和藍(lán)藻內(nèi)共生的結(jié)果[2],深入理解藍(lán)藻生命活動(dòng)過程可為認(rèn)識(shí)真核生物中光合細(xì)胞器的發(fā)生、調(diào)控及功能發(fā)揮具有重要的借鑒意義。藍(lán)藻與某些原核細(xì)菌,如黃色黏球菌(Myxococcus xanthus),銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)類似,具有運(yùn)動(dòng)能力,能夠在液體或潮濕固體表面運(yùn)動(dòng)[3—6]。藍(lán)藻運(yùn)動(dòng)可使藍(lán)藻選擇更適應(yīng)自身生長(zhǎng)的環(huán)境,例如更有利的光照或營(yíng)養(yǎng)環(huán)境,是藍(lán)藻長(zhǎng)期進(jìn)化過程中形成的有效環(huán)境適應(yīng)策略。單細(xì)胞藍(lán)藻和絲狀藍(lán)藻都可以發(fā)生運(yùn)動(dòng)。根據(jù)藍(lán)藻種類及運(yùn)動(dòng)方式的不同可將藍(lán)藻運(yùn)動(dòng)分為三類[7]:(1)藍(lán)藻泳動(dòng)(Swimming motility),主要指某些海洋單細(xì)胞藍(lán)藻在水中運(yùn)動(dòng)的形式,如聚球藻WH8102(Synechococcussp.WH8102)在水中的運(yùn)動(dòng);(2)藍(lán)藻蹭動(dòng)(Twitching motility),主要指某些單細(xì)胞藍(lán)藻沿固體表面的運(yùn)動(dòng)形式,如集胞藻PCC6803(Synechocystissp.PCC6803,下文簡(jiǎn)稱為集胞藻)的趨光運(yùn)動(dòng);(3)藍(lán)藻滑動(dòng)(Gliding motility),主要指某些絲狀藍(lán)藻沿固體表面的運(yùn)動(dòng)形式,如某些顫藻目(Oscillatoriales)或念珠藻目(Nostocales)藍(lán)藻的運(yùn)動(dòng)。藍(lán)藻運(yùn)動(dòng)過程受到精細(xì)復(fù)雜的調(diào)控,需要大量蛋白協(xié)同參與完成,研究其調(diào)控機(jī)理可使我們從根本上理解藍(lán)藻運(yùn)動(dòng)過程,豐富我們對(duì)原核生物積極主動(dòng)適應(yīng)外界環(huán)境策略的認(rèn)識(shí),為構(gòu)建人造微型運(yùn)動(dòng)設(shè)備提供理論模型。下文對(duì)藍(lán)藻不同的運(yùn)動(dòng)方式及其可能的發(fā)生機(jī)制分別進(jìn)行闡述,概括了藍(lán)藻運(yùn)動(dòng)機(jī)制研究所需揭示的幾個(gè)主要問題,為相關(guān)研究者提供參考。

1 藍(lán)藻泳動(dòng)

1.1 藍(lán)藻泳動(dòng)現(xiàn)象描述

藍(lán)藻泳動(dòng)現(xiàn)象主要發(fā)現(xiàn)于生活在熱帶或亞熱帶開闊海洋中的某些聚球藻屬中[8]。Waterbury等[8]首先描述了聚球藻的泳動(dòng)狀況。發(fā)生泳動(dòng)的聚球藻成球狀或棒狀,直徑0.7—0.9 μm,長(zhǎng)度1.25—2.5 μm,其在液體中的泳動(dòng)速度5—25 μm/s[8]。聚球藻繞其縱軸旋轉(zhuǎn)并移動(dòng),增加液體環(huán)境中的黏度可以使其降速或靜止,這些聚球藻可以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)也可以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),但每個(gè)細(xì)胞只能朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn),細(xì)胞在液體中可以3—5 r/s的速度旋轉(zhuǎn)[8]。與能夠在潮濕固體表面發(fā)生蹭動(dòng)或滑動(dòng)的藍(lán)藻不同,在液體中泳動(dòng)的聚球藻不能沿潮濕固體表面運(yùn)動(dòng)[8]。

1.2 藍(lán)藻泳動(dòng)相關(guān)蛋白及其運(yùn)動(dòng)機(jī)制解釋模型

各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明發(fā)生泳動(dòng)的聚球藻并不像某些原核生物(如大腸桿菌,Escherichia coli)一樣具有鞭毛,敲除聚球藻WH8102中對(duì)某些藍(lán)藻(如集胞藻)蹭動(dòng)具有重要作用的Ⅳ型菌毛合成相關(guān)基因同源基因pilT及pilC也不影響其泳動(dòng),說明聚球藻泳動(dòng)不依靠鞭毛或Ⅳ型菌毛,其泳動(dòng)機(jī)制與具有鞭毛或Ⅳ型菌毛的原核生物并不相同[7]。在聚球藻WH8102中,通過轉(zhuǎn)座子突變及表型篩選實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)一種命名為SwmA(Swimming motility protein A),分子量為130 kD,構(gòu)成細(xì)胞S-layer的糖蛋白對(duì)細(xì)胞泳動(dòng)時(shí)推力的產(chǎn)生具有重要作用,該蛋白含有多個(gè)鈣離子結(jié)合結(jié)構(gòu)域及潛在糖基化位點(diǎn),其編碼基因的敲除會(huì)使細(xì)胞喪失在液體中移動(dòng)的能力,但不會(huì)影響聚球藻細(xì)胞自身的轉(zhuǎn)動(dòng)[9,10]。該藻中另外一種分子量為1.12 MD,位于細(xì)胞表層并呈點(diǎn)狀分布的蛋白SwmB對(duì)聚球藻WH8102的泳動(dòng)過程也是必需的,SwmA和SwmB都位于細(xì)胞表層,SwmB編碼基因突變并不影響SwmA分布[11]。通過轉(zhuǎn)座子突變實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)聚球藻WH8102基因組上有2個(gè)基因簇(synw0087-synw0088及synw0192-synw0195)對(duì)該藻泳動(dòng)是必需的,其中synw0087和synw0195編碼糖基轉(zhuǎn)移酶,synw0193編碼Ⅰ型分泌系統(tǒng)中的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)子,synw0194編碼Ⅰ型分泌系統(tǒng)中的膜融合蛋白,這些基因編碼蛋白通過影響SwmA合成或分布進(jìn)而影響細(xì)胞泳動(dòng)[12]。該藻基因組上還編碼一種細(xì)胞骨架類似蛋白,命名為MreB(Membrane-associated rod shape-determining protein B)類似蛋白,該蛋白可能對(duì)聚球藻WH8102的泳動(dòng)過程具有重要作用[7]。而在另外一種發(fā)生泳動(dòng)的聚球藻WH8113(Synechococcussp.WH 8113)中,培養(yǎng)基中鈉離子及鈣離子濃度對(duì)該藻的泳動(dòng)過程至關(guān)重要[13,14],表明這2種離子可能與聚球藻泳動(dòng)時(shí)動(dòng)力供應(yīng)或泳動(dòng)相關(guān)蛋白功能發(fā)揮有關(guān)。

關(guān)于聚球藻如何在缺少鞭毛等亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)情況下泳動(dòng)有一種解釋,即細(xì)胞外膜層收縮和擴(kuò)張產(chǎn)生波動(dòng)從而使細(xì)胞在液體中泳動(dòng)[15]。該波動(dòng)過程產(chǎn)生機(jī)理有2種模型解釋(圖1):一種是鈣離子去極化過程使細(xì)胞表層產(chǎn)生局部膜膨脹并回縮,進(jìn)而沿膜表層傳播產(chǎn)生波動(dòng),從而推動(dòng)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)(圖1A)[14];另一種是參考黃色黏球菌的單個(gè)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)過程[16—18],該模型認(rèn)為聚球藻細(xì)胞內(nèi)動(dòng)力蛋白及其他運(yùn)動(dòng)相關(guān)蛋白組成的蛋白復(fù)合體形成跨質(zhì)膜結(jié)構(gòu),復(fù)合體位于胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)沿著胞內(nèi)骨架蛋白(如MreB類似蛋白)形成的軌道發(fā)生連續(xù)閉環(huán)運(yùn)動(dòng),并帶動(dòng)復(fù)合體位于周質(zhì)空間部分使細(xì)胞肽聚糖層及外膜產(chǎn)生波動(dòng),進(jìn)而推動(dòng)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)(圖1B)[16—18]。這2種模型的提出均基于已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,但對(duì)這2種模型的驗(yàn)證均需要更多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。另外聚球藻在泳動(dòng)時(shí)發(fā)生自身轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)制并不清楚。

圖1 海洋聚球藻細(xì)胞表層波動(dòng)產(chǎn)生泳動(dòng)的模式圖[14,16—18]Fig.1 Models for causing surface waves and swimming of marine Synechococcus cells[14,16—18]

1.3 藍(lán)藻泳動(dòng)意義

發(fā)生泳動(dòng)的聚球藻是從熱帶或亞熱帶開闊大洋中分離獲得[8,19],這些地方光照充足,但營(yíng)養(yǎng)鹽濃度(尤其生物可利用氮源)含量較低,營(yíng)養(yǎng)鹽濃度通常是限制自養(yǎng)生物生物量的主要因素[20,21]。在這些區(qū)域動(dòng)物糞便或大型浮游植物殘骸形成富含營(yíng)養(yǎng)的微斑塊或微聚集體對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)利用具有重要作用[22]。聚球藻泳動(dòng)可能使細(xì)胞對(duì)環(huán)境中的不同營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度作出反應(yīng),靠近富含營(yíng)養(yǎng)的微斑塊或微聚集體,促進(jìn)自身生長(zhǎng)。Willy等[23]在實(shí)驗(yàn)室條件下探究過聚球藻對(duì)23種不同化合物是否存在因?yàn)闈舛炔煌纬傻内吇\(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)聚球藻細(xì)胞對(duì)環(huán)境中不同濃度的NH4Cl、NaNO3、尿素、甘氨酸和丙氨酸有響應(yīng),細(xì)胞會(huì)向化合物濃度較高的區(qū)域泳動(dòng),暗示聚球藻細(xì)胞在自然環(huán)境中會(huì)通過泳動(dòng)獲得更有利的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境。Willy等[24]也探究過聚球藻泳動(dòng)是否受光照影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)快速改變環(huán)境中光照強(qiáng)度時(shí),聚球藻細(xì)胞泳動(dòng)速度和方向并未改變,將泳動(dòng)細(xì)胞置于光強(qiáng)成連續(xù)梯度變化的環(huán)境中時(shí),聚球藻細(xì)胞并未產(chǎn)生趨光運(yùn)動(dòng)或避光運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,說明光照改變對(duì)聚球藻細(xì)胞泳動(dòng)過程影響較小。聚球藻泳動(dòng)能否幫助自己躲避捕食者捕食? Strom等[25]通過對(duì)比野生型聚球藻WH8102和swmA、swmB突變株被纖毛蟲,鞭毛蟲,尖尾藻捕食頻率發(fā)現(xiàn)泳動(dòng)對(duì)細(xì)胞降低被捕食率沒有顯著影響。關(guān)于聚球藻泳動(dòng)對(duì)自身的意義需要更多的自然環(huán)境下的證據(jù)支持。

2 藍(lán)藻蹭動(dòng)

2.1 藍(lán)藻蹭動(dòng)現(xiàn)象描述

藍(lán)藻蹭動(dòng)現(xiàn)象是法國(guó)巴斯德研究中心的幾個(gè)研究組首次發(fā)現(xiàn)的,其中對(duì)淡水單細(xì)胞藍(lán)藻集胞藻蹭動(dòng)研究尤為細(xì)致[26,27]。集胞藻在潮濕固體培養(yǎng)基平板(瓊脂濃度0.4%—0.8%)上會(huì)展現(xiàn)出較慢的蹭動(dòng)速度,通常1—2 μm/min[28]。如果將細(xì)胞置于單側(cè)光照條件下,細(xì)胞就會(huì)展現(xiàn)出向光源方向移動(dòng)的能力,也稱為趨光運(yùn)動(dòng)[7,28,29]。在幾種單細(xì)胞藍(lán)藻中報(bào)道過趨光運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,其中嗜熱聚球藻(Thermosynechococcus elongatus)在不同光質(zhì)及光強(qiáng)條件下趨光運(yùn)動(dòng)反應(yīng)不同,例如在低光強(qiáng)條件下[3 μmol photons/(m2·s)],只有紅光區(qū)展現(xiàn)出趨光運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,而當(dāng)光強(qiáng)為10 μmol photons/(m2·s)時(shí),藻細(xì)胞在530、570、640和680 nm波段均展現(xiàn)出明顯趨光運(yùn)動(dòng)[30]。近期Yang等[31]從野外環(huán)境中分離到一株聚球藻UTEX3055(Synechococcus elongatusstrain UTEX3055),其基因組序列與聚球藻PCC7942(Synechococcus elongatusPCC7942)相似度達(dá)98.5%,也可發(fā)生趨光運(yùn)動(dòng)。集胞藻在極微弱光照條件下[約0.001 μmol photons/(m2·s)] 就能引發(fā)趨光運(yùn)動(dòng),約1 μmol photons/(m2·s)光照強(qiáng)度即達(dá)到趨光運(yùn)動(dòng)飽和光強(qiáng)[28,32]。由于集胞藻存在不同亞種,Fiedler等[33]探究了來自不同實(shí)驗(yàn)室的4種集胞藻的運(yùn)動(dòng)情況,發(fā)現(xiàn)有一種野生型集胞藻喪失了運(yùn)動(dòng)能力,另外3種野生型藻株在白光和藍(lán)光條件下展現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)情況。在單側(cè)白光照射條件下,3種藻株展現(xiàn)出類似的趨光運(yùn)動(dòng)性質(zhì),但它們?cè)趩蝹?cè)藍(lán)光照射條件下的趨光運(yùn)動(dòng)能力較白光下均受到不同程度的抑制,其中的一種野生藻株在單側(cè)藍(lán)光照射條件下完全不發(fā)生趨光運(yùn)動(dòng)[33]。實(shí)驗(yàn)室中模擬自然界較復(fù)雜光照條件下集胞藻的趨光運(yùn)動(dòng)情況發(fā)現(xiàn),紅光和綠光主要影響集胞藻細(xì)胞運(yùn)動(dòng)方向,但對(duì)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)速度影響不大,而藍(lán)光顯著抑制細(xì)胞運(yùn)動(dòng)。當(dāng)集胞藻細(xì)胞接受不同方向的單側(cè)紅光照時(shí),細(xì)胞會(huì)沿著光照方向矢量和運(yùn)動(dòng),而當(dāng)同時(shí)給予單側(cè)綠光和藍(lán)光照射時(shí),集胞藻細(xì)胞會(huì)根據(jù)兩種光的強(qiáng)度比實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)方向及生長(zhǎng)狀態(tài),說明集胞藻細(xì)胞在復(fù)雜光環(huán)境條件下可以整合光照信號(hào)并通過運(yùn)動(dòng)作出反應(yīng)[34]。

關(guān)于藍(lán)藻蹭動(dòng)機(jī)制的研究主要集中在對(duì)集胞藻和聚球藻趨光運(yùn)動(dòng)機(jī)制的研究,下面著重介紹。

2.2 集胞藻參與趨光運(yùn)動(dòng)相關(guān)蛋白及其作用機(jī)制

根據(jù)集胞藻中參與趨光運(yùn)動(dòng)過程的蛋白功能劃分,可將它們分為三類:第一類是Ⅳ型菌毛蛋白復(fù)合體結(jié)構(gòu)及組裝相關(guān)蛋白,它們是蹭動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ);第二類參與趨光運(yùn)動(dòng)光信號(hào)感應(yīng)及光信號(hào)傳遞,感光蛋白通常含有光響應(yīng)結(jié)構(gòu)域;第三類間接參與蹭動(dòng)過程調(diào)節(jié),這類蛋白并不直接參與到Ⅳ型菌毛蛋白復(fù)合體組成及組裝,但會(huì)在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平直接或間接調(diào)節(jié)Ⅳ型菌毛蛋白復(fù)合體形成相關(guān)蛋白的表達(dá)或修飾,進(jìn)而影響細(xì)胞蹭動(dòng),或者通過影響細(xì)胞其他生命活動(dòng)間接影響細(xì)胞運(yùn)動(dòng),此類蛋白缺失也會(huì)使細(xì)胞喪失蹭動(dòng)能力。

直接參與集胞藻Ⅳ型菌毛蛋白復(fù)合體形成蛋白與高等植物葉綠體響應(yīng)光照發(fā)生運(yùn)動(dòng)需要葉綠體微絲蛋白參與不同[35],集胞藻發(fā)生蹭動(dòng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與某些革蘭氏陰性菌(如黃色黏球菌)類似,需要Ⅳ型菌毛蛋白復(fù)合體參與[29,36]。Ⅳ型菌毛伸展、栓系、收縮是實(shí)現(xiàn)蹭動(dòng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[37—41]。Bhaya等[29]首先發(fā)現(xiàn)集胞藻表層有Ⅳ型菌毛類似結(jié)構(gòu),直徑為6—8 nm,長(zhǎng)度為4—5 μm,稱為粗菌毛。后續(xù)研究表明粗菌毛即為Ⅳ型菌毛[42]。近期Chen等[43]對(duì)集胞藻Ⅳ型菌毛具有的多種生物學(xué)功能最新研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述,此處只關(guān)注Ⅳ型菌毛與集胞藻運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。根據(jù)對(duì)黃色黏球菌、銅綠假單胞菌等其他細(xì)菌Ⅳ型菌毛合成必需蛋白序列同源性比對(duì),發(fā)現(xiàn)集胞藻中直接參與Ⅳ型菌毛的合成蛋白編碼基因有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型菌毛構(gòu)成的基本亞基,集胞藻中有11個(gè)PilA 同源蛋白,其中PilA1是集胞藻Ⅳ型菌毛的基本構(gòu)成亞基[42]。參考其他革蘭氏陰性菌Ⅳ型菌毛合成模式,PilA合成后在運(yùn)輸至胞外的過程中,其N端帶正電的前導(dǎo)肽被肽酶及甲基化酶PilD切除并甲基化,然后以螺旋狀排列方式裝配到菌毛基部[45—48]。pilA1缺失會(huì)使集胞藻表層Ⅳ型菌毛完全消失,同時(shí)細(xì)胞完全喪失運(yùn)動(dòng)能力[42]。PilA2- PilA8氨基酸序列與PilA1有一定同源性,但PilA2- PilA8編碼基因突變并不會(huì)影響集胞藻Ⅳ型菌毛合成,也不影響細(xì)胞運(yùn)動(dòng)[44]。PilA9、PilA10和PilA11被稱為少量菌毛亞基,這些菌毛亞基N端也有前導(dǎo)肽,它們合成后可能被分泌到胞外輔助PilA1形成具有正常功能的Ⅳ型菌毛[49,50]。PilB與PilT為ATP水解酶,它們均可形成六聚體環(huán)裝結(jié)構(gòu),通過水解ATP改變蛋白的構(gòu)象從而將PilA亞基添加到菌毛上或從菌毛上解離下來,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)菌毛的伸長(zhǎng)或回縮[38,41,51—56]。集胞藻中PilB的同源蛋白PilB1編碼基因突變會(huì)使細(xì)胞表層Ⅳ型菌毛消失而喪失運(yùn)動(dòng)能力[42],PilT的同源蛋白PilT1編碼基因突變會(huì)使細(xì)胞表層Ⅳ型菌毛數(shù)量顯著增加,但細(xì)胞也會(huì)喪失運(yùn)動(dòng)能力[42],說明在集胞藻中PilB1與PilT1在Ⅳ型菌毛動(dòng)態(tài)合成過程中發(fā)揮重要功能。PilC位于質(zhì)膜上,有利于菌毛往外延伸或往內(nèi)收縮并起到穩(wěn)定菌毛的作用[57—59]。PilM與PilN、PilO在質(zhì)膜上形成復(fù)合體,在穩(wěn)定菌毛動(dòng)態(tài)形成的過程中發(fā)揮功能[60,61]。PilM還可與PilC、PilB和PilT發(fā)生動(dòng)態(tài)相互作用,而PilN可通過與PilM相互作用調(diào)節(jié)PilM的互作對(duì)象[62]。PilQ在外膜上形成多聚體孔狀結(jié)構(gòu),使Ⅳ型菌毛延伸至胞外[63,64]。另外,集胞藻中存在一種RNA伴侶蛋白同源蛋白Hfq(Host factor for RNA phage Q beta replication),該蛋白可以與集胞藻中PilB1的C末端發(fā)生相互作用,共同作用于Ⅳ型菌毛動(dòng)態(tài)合成過程中[65—67]。集胞藻Ⅳ型菌毛合成組裝參與蛋白及其功能總結(jié)如表1所示。圖2中集胞藻Ⅳ型菌毛合成參考其他革蘭氏陰性菌Ⅳ型菌毛合成過程。

表1 集胞藻參與Ⅳ型菌毛合成基因及功能Tab.1 Genes and its functions involved in the synthesis of typeⅣ pili in Synechocystis

Ⅳ型菌毛動(dòng)態(tài)合成模型關(guān)于Ⅳ型菌毛在細(xì)菌中具體如何伸長(zhǎng)或收縮有兩種模型解釋。一種是旋轉(zhuǎn)模型,即PilC、PilM、PilN和PilO在質(zhì)膜上形成菌毛合成平臺(tái)復(fù)合體,復(fù)合體面向細(xì)胞質(zhì)部分嵌入PilB或PilT形成的六聚體腔內(nèi)結(jié)構(gòu),復(fù)合體位于質(zhì)膜中部分位于動(dòng)態(tài)合成的Ⅳ型菌毛基部。PilB或PilT六聚體結(jié)合并水解ATP時(shí),構(gòu)象改變產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)質(zhì)膜平臺(tái)復(fù)合體蛋白及菌毛旋轉(zhuǎn),并添加或解離下一個(gè)菌毛亞基,使菌毛往外延伸或往內(nèi)收縮[55,56,68]。另一種是壓縮模型,該模型認(rèn)為PilC、PilM、PilN和PilO形成的菌毛合成質(zhì)膜平臺(tái)復(fù)合體作為控制菌毛亞基添加到菌毛上或從菌毛上解離下來的開關(guān)門。當(dāng)平臺(tái)處于開放狀態(tài)時(shí),菌毛亞基可以結(jié)合到菌毛基部,菌毛基部亞基也可以從菌毛上解離下來;當(dāng)PilB或PilT六聚體結(jié)合并水解ATP時(shí),促使平臺(tái)處于關(guān)閉狀態(tài),產(chǎn)生的擠壓力使菌毛往外延伸或往內(nèi)收縮,同時(shí)平臺(tái)面向另一角度開放,并進(jìn)行下個(gè)循環(huán),但該過程中菌毛本身不會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)[54,56]。

圖2 集胞藻趨光運(yùn)動(dòng)感光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及Ⅳ型菌毛合成模式圖Fig.2 Photosensing signal transduction pathways in phototaxis and synthesis model of type Ⅳ pili in Synechocystis

參與集胞藻光信號(hào)感應(yīng)及傳導(dǎo)相關(guān)蛋白藍(lán)藻實(shí)現(xiàn)趨光或避光運(yùn)動(dòng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑一直是研究者力求解答的問題。近期研究表明球形單細(xì)胞藍(lán)藻(如集胞藻)感光原理類似透鏡聚光作用,當(dāng)單側(cè)光透過細(xì)胞一側(cè)后會(huì)匯聚于細(xì)胞背光側(cè)表層并形成明亮光斑,藍(lán)藻中感光蛋白(藍(lán)藻型光敏色素或其他感光蛋白)感應(yīng)該處光斑,并可能通過構(gòu)象改變或與其他信號(hào)傳遞蛋白互作將光照信號(hào)往下游傳遞,調(diào)控Ⅳ型菌毛在細(xì)胞表層的合成及分布,可能使背光一側(cè)Ⅳ型菌毛合成受阻,向光一側(cè)Ⅳ型菌毛合成增強(qiáng),最終實(shí)現(xiàn)趨光運(yùn)動(dòng)[69]。而當(dāng)球形單細(xì)胞藍(lán)藻表層靠近光源一側(cè)接收光強(qiáng)強(qiáng)度大于細(xì)胞背光側(cè)表層光斑時(shí),藍(lán)藻中感光蛋白感應(yīng)新的光信號(hào)并將信號(hào)往下游傳遞,使細(xì)胞背光側(cè)Ⅳ型菌毛合成增強(qiáng),細(xì)胞會(huì)發(fā)生避光運(yùn)動(dòng)[69]。集胞藻基因組上存在一些基因及基因簇在細(xì)胞感光并調(diào)控趨光運(yùn)動(dòng)方面發(fā)揮重要作用,下面分別介紹。

集胞藻基因組上存在一個(gè)基因簇sll0038-sll0039-sll0040-sll0041-sll0042-sll0043,其中基因命名為pixG(taxP1)-pixH(taxY1)-pixI(taxW1)-pixJ1(taxD1)-pixJ2(taxD’1)-pixL(taxAY1),除pixI(taxW1)外,該基因簇中基因突變會(huì)使細(xì)胞在單側(cè)白光[10 μmol photons/(m2·s)] 照射條件下產(chǎn)生避光運(yùn)動(dòng)(向與光源方向相反一側(cè)運(yùn)動(dòng)),而野生型細(xì)胞在相同條件下發(fā)生趨光運(yùn)動(dòng)[70,71]。該基因簇編碼蛋白與某些具有鞭毛的革蘭氏陰性細(xì)菌(例如大腸桿菌)中調(diào)控細(xì)胞趨化運(yùn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)蛋白有相似之處,但也有明顯不同。以大腸桿菌為例,在趨化運(yùn)動(dòng)過程中具有MCP(Methyl-accepting chemotaxis protein)-signal和TarH結(jié)構(gòu)域的蛋白通過與配體(化合物或結(jié)合化合物的蛋白)結(jié)合情況改變自身構(gòu)象感應(yīng)外界化學(xué)物質(zhì)濃度變化,通過CheW(Chemotactic W)與具有組氨酸激酶結(jié)構(gòu)域可以自磷酸化的CheA相互作用,促使CheA自磷酸化,CheA可以將磷酸化基團(tuán)傳遞給CheY,磷酸化的CheY可以與鞭毛動(dòng)力蛋白相互作用,調(diào)節(jié)鞭毛轉(zhuǎn)動(dòng)方向進(jìn)而影響細(xì)胞運(yùn)動(dòng)方向[72]。集胞藻該基因簇中PixJ1(Phototaxis J1)/TaxD1(Chemotaxis-like D1)與PixJ2都含有MCP-signal結(jié)構(gòu)域,該結(jié)構(gòu)域在細(xì)菌趨化運(yùn)動(dòng)中通過甲基化或去甲基化狀態(tài)傳遞外界環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)濃度變化信號(hào),但氨基酸序列比對(duì)發(fā)現(xiàn)PixJ1和PixJ2所含MCP-signal結(jié)構(gòu)域中缺少甲基化或去甲基化相關(guān)的幾個(gè)關(guān)鍵氨基酸位點(diǎn),結(jié)合集胞藻突變株表型分析說明含該結(jié)構(gòu)域蛋白在集胞藻趨光運(yùn)動(dòng)信號(hào)傳遞中同樣發(fā)揮重要作用,但具體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑與細(xì)菌趨化運(yùn)動(dòng)存在差異。PixJ1含有2個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域,可能定位于細(xì)胞質(zhì)膜上,這點(diǎn)與大腸桿菌中感應(yīng)外界化學(xué)物質(zhì)濃度的含MCP-signal和TarH結(jié)構(gòu)域蛋白(例如Tar,Taxis toward aspartate and related amino acids)類似,但PixJ1含有GAF(cGMPspecific phosphodiesterases,Adenylyl cyclases and FhlA,GAF)結(jié)構(gòu)域并可結(jié)合發(fā)色團(tuán),響應(yīng)藍(lán)光和綠光,這與Tar含有TarH結(jié)構(gòu)域結(jié)合配體感應(yīng)外界化學(xué)物質(zhì)濃度不同[73,74]。集胞藻該基因簇中PixI(TaxW1)與CheW同源,pixI(taxW1)突變并不影響集胞藻細(xì)胞趨光運(yùn)動(dòng),說明其在集胞藻趨光運(yùn)動(dòng)信號(hào)傳遞過程中并非必需。PixL(TaxAY1)與CheA同源,PixG(TaxP1)、PixH(TaxY1)與CheY同源,且這3個(gè)蛋白編碼基因突變細(xì)胞會(huì)發(fā)生避光運(yùn)動(dòng)[70,71],說明這3個(gè)蛋白在集胞藻趨光運(yùn)動(dòng)信號(hào)傳遞中是必需的。PixG(TaxP1)在藍(lán)藻中屬于PatA家族蛋白,除含有CheY具有的Response-reg結(jié)構(gòu)域外,還含有PATAN結(jié)構(gòu)域,該結(jié)構(gòu)域的具體功能還不是十分清楚,但近期研究表明含有該結(jié)構(gòu)域的PixE(也屬于PatA家族蛋白,下文詳細(xì)介紹)可以與集胞藻Ⅳ型菌毛合成動(dòng)力蛋白PilB1直接相互作用,調(diào)控Ⅳ型菌毛合成及蹭動(dòng)方向[75],說明集胞藻中PatA家族蛋白在趨光運(yùn)動(dòng)中所行使功能類似CheY在大腸桿菌趨化運(yùn)動(dòng)中的作用,負(fù)責(zé)環(huán)境信號(hào)與動(dòng)力蛋白的直接關(guān)聯(lián)。PixJ1(TaxD1)、PixJ2(TaxD′1)、PixL(TaxAY1)、PixG(TaxP1)和PixH(TaxY1)可以在集胞藻中形成感光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,并通過調(diào)控Ⅳ型菌毛合成促使細(xì)胞發(fā)生趨光運(yùn)動(dòng)行為。具體信號(hào)通路需要進(jìn)一步研究。

放牧方式對(duì)人工草地植被生物量及碳密度的影響……… 徐智超，祁 瑜，梅寶玲，卓 義，王鳳歌，武勝男，鄔嘉華，溫 璐（110）

集胞藻基因組上編碼一個(gè)藍(lán)光受體蛋白PixD(Phototaxis D,Slr1694),該蛋白含有BLUF(Blue-Light Using FAD)結(jié)構(gòu)域,可以結(jié)合FAD(Flavin Adenine Dinucleotide)響應(yīng)藍(lán)光[76,77]。敲除該基因后會(huì)使集胞藻在較弱單側(cè)光[如5—100 μmol photons/(m2·s)白光,或0.7 μmol photons/(m2·s)紅光,或5 μmol photons/(m2·s)遠(yuǎn)紅光、黃光與綠光]照射下產(chǎn)生避光運(yùn)動(dòng),而野生型細(xì)胞在相同條件下均發(fā)生趨光運(yùn)動(dòng)[76,77],說明pixD基因敲除會(huì)觸發(fā)細(xì)胞在較弱單側(cè)光照射下產(chǎn)生避光運(yùn)動(dòng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。PixD作為藍(lán)光受體,其缺失突變株pixD－在單側(cè)較弱光照條件下表型與pixJ1－突變株類似,但它與PixJ1在調(diào)控細(xì)胞趨光運(yùn)動(dòng)中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制顯然不同。體內(nèi)及體外蛋白相互作用實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,PixD可與其上游基因編碼蛋白PixE(Phototaxis E,Slr1693)相互作用,且其互作方式受光照條件而發(fā)生變化。在黑暗條件下,二者可形成PixD10-PixE5(或PixD10-PixE4)復(fù)合體;當(dāng)接受強(qiáng)光[約997 μmol photons/(m2·s)白光]照射后,該復(fù)合體解聚為PixD二聚體及PixE單體,暗示PixD與PixE在不同光照條件下的互作方式在集胞藻趨光或避光運(yùn)動(dòng)光信號(hào)傳遞中具有重要功能[77—80]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),在80 μmol photons/(m2·s)單側(cè)白光照射下,pixE－單突變株及pixD－E－雙突變株均與野生型藻株發(fā)生類似的趨光運(yùn)動(dòng),而該條件下pixD－單突變株發(fā)生避光運(yùn)動(dòng);在243 μmol photons/(m2·s)藍(lán)光照射條件下野生型集胞藻會(huì)發(fā)生避光運(yùn)動(dòng),而pixD－E－雙突變株會(huì)發(fā)生趨光運(yùn)動(dòng),結(jié)合PixD與PixE在不同光照條件下的差異互作方式,推測(cè)PixE單體數(shù)量是細(xì)胞在單側(cè)光照條件下發(fā)生趨光或避光運(yùn)動(dòng)的重要影響因素[81]。在單側(cè)光照較弱時(shí)[如80 μmol photons/(m2·s)單側(cè)白光],野生型細(xì)胞內(nèi)PixD與PixE絕大多數(shù)以復(fù)合體的形式存在,此時(shí)PixE無法與Ⅳ型菌毛合成動(dòng)力蛋白PilB1相互作用[81],細(xì)胞內(nèi)感光蛋白(可能為PixJ1)感應(yīng)單側(cè)光照后通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)控細(xì)胞表層Ⅳ型菌毛在光照一側(cè)合成相對(duì)增多,促使細(xì)胞發(fā)生趨光運(yùn)動(dòng)。而在相同條件下,pixD敲除會(huì)使突變株細(xì)胞內(nèi)PixE單體含量增加,PixE定位于細(xì)胞質(zhì)膜周圍可以直接與PilB1相互作用,從而調(diào)控細(xì)胞表層Ⅳ型菌毛在背光一側(cè)合成增多,細(xì)胞發(fā)生避光運(yùn)動(dòng)[75,81]。對(duì)比較弱單側(cè)光照射,在單側(cè)較強(qiáng)藍(lán)光照射時(shí)[如243 μmol photons/(m2·s)],野生型集胞藻內(nèi)PixD感應(yīng)藍(lán)光后與PixE解聚,PixE單體含量增加會(huì)與PilB1相互作用,從而調(diào)控細(xì)胞表層Ⅳ型菌毛在背光一側(cè)合成相對(duì)增多,細(xì)胞發(fā)生避光運(yùn)動(dòng)。該較強(qiáng)藍(lán)光條件下,pixD－E－雙突變株細(xì)胞內(nèi)感光蛋白(可能為PixJ1)感應(yīng)光照信號(hào)后,通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)控細(xì)胞表層Ⅳ型菌毛在光照一側(cè)合成相對(duì)增多,細(xì)胞發(fā)生趨光運(yùn)動(dòng)。近期集胞藻單細(xì)胞水平感光實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在單側(cè)超強(qiáng)藍(lán)光[1200 μmol photons/(m2·s)]照射條件下,野生型集胞藻細(xì)胞仍會(huì)發(fā)生避光運(yùn)動(dòng),而pixD－突變株細(xì)胞在該藍(lán)光照射條件下隨機(jī)蹭動(dòng),未展現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)方向性,說明PixD在集胞藻細(xì)胞感應(yīng)超強(qiáng)藍(lán)光發(fā)生避光運(yùn)動(dòng)過程中具有重要作用[82]。在該條件下,野生型集胞藻細(xì)胞發(fā)生避光運(yùn)動(dòng)的機(jī)制可能與在單側(cè)較強(qiáng)藍(lán)光照射時(shí)類似,而pixD突變后為何細(xì)胞僅發(fā)生隨機(jī)蹭動(dòng),而不像在單側(cè)較弱光照條件下時(shí)發(fā)生避光運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生該現(xiàn)象的機(jī)制仍不清楚。綜合上述結(jié)果可知,集胞藻應(yīng)對(duì)不同光質(zhì)與光強(qiáng)而作出的細(xì)胞趨光或避光運(yùn)動(dòng)的調(diào)控方式精細(xì)而復(fù)雜。通過感受不同光信號(hào)實(shí)時(shí)改變PixD與PixE的互作方式,進(jìn)而精密調(diào)節(jié)PixE單體與Ⅳ型菌毛合成動(dòng)力蛋白PilB1的相互作用,從而調(diào)控Ⅳ型菌毛在細(xì)胞表層的分布情況,實(shí)現(xiàn)細(xì)胞在不同條件下的趨光或避光運(yùn)動(dòng)。該信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路組成蛋白與轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑與某些具有鞭毛的革蘭氏陰性細(xì)菌調(diào)控細(xì)胞趨化運(yùn)動(dòng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路顯著不同,是集胞藻為適應(yīng)外界復(fù)雜光環(huán)境而形成的新的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。

集胞藻基因組上存在一個(gè)基因簇slr1212-slr1213-slr1214在感應(yīng)UV-A(Ultraviolet A)并調(diào)控細(xì)胞運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)揮重要作用,該基因簇三個(gè)基因分別命名為uirS-uirR-lsiR,其中任何一個(gè)基因突變都會(huì)使細(xì)胞向單側(cè)UV-A[25—100 μmol photons/(m2·s)] 照射方向運(yùn)動(dòng)(趨光運(yùn)動(dòng)),而野生型集胞藻細(xì)胞在相同條件下向UV-A照射反方向運(yùn)動(dòng)(避光運(yùn)動(dòng))[83]。該信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑屬于典型的二元信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,UirS(UV intensity response Sensor)預(yù)測(cè)含有4個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域,推測(cè)可能定位于細(xì)胞質(zhì)膜上。其含有GAF結(jié)構(gòu)域,可以結(jié)合發(fā)色團(tuán)后感應(yīng)UVA(或紫光)和綠光[83—85]。UirS 同時(shí)含有HisKA和HATPase-c結(jié)構(gòu)域,含有此類結(jié)構(gòu)域的蛋白通?？梢孕纬啥垠w并催化自身組氨酸殘基磷酸化,并將該高能磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到具有Response-reg結(jié)構(gòu)域的蛋白中。UirR為AraC家族轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子,含有Response-reg和HTH(Helix-Turn-Helix)結(jié)構(gòu)域。蛋白相互作用實(shí)驗(yàn)證明UirS可以與UirR(UV intensity response Regulator)發(fā)生相互作用[83]。該基因簇中編碼的另外一個(gè)蛋白LsiR(Light and stress integrating response Regulator)為PatA家族蛋白,含有Responsereg及PATAN結(jié)構(gòu)域,該家族蛋白PixE已證實(shí)可以與集胞藻Ⅳ型菌毛合成動(dòng)力蛋白PilB1相互作用,調(diào)控細(xì)胞表層Ⅳ型菌毛合成及趨光運(yùn)動(dòng)方向[75],推測(cè)LsiR與PixE功能類似。轉(zhuǎn)錄譜實(shí)驗(yàn)表明在85 μmol photons/(m2·s)單側(cè)UV-A照射時(shí),uirS和uirR突變株中l(wèi)siR表達(dá)量顯著低于野生型,說明lsiR低表達(dá)是使突變株在該條件下趨光運(yùn)動(dòng)的主要原因[83]。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測(cè),在16 μmol photons/(m2·s)單側(cè)綠光、紅光或＜5 μmol photons/(m2·s)UV-A照射時(shí),UirS可以與UirR在質(zhì)膜上形成復(fù)合體,此時(shí)UirR無法結(jié)合到該基因簇中的lsiR基因啟動(dòng)子區(qū),使lsiR無法表達(dá)而發(fā)揮功能,細(xì)胞表現(xiàn)出趨光運(yùn)動(dòng)表型。當(dāng)UirS接收單側(cè)較強(qiáng)UV-A[25—100 μmol photons/(m2·s)] 照射后,構(gòu)象發(fā)生改變并發(fā)生自磷酸化,UirR會(huì)與UirS分離并將磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移至UirR中Response-reg結(jié)構(gòu)域,激活UirR轉(zhuǎn)錄活性,UirR結(jié)合到lsiR啟動(dòng)子區(qū)發(fā)揮轉(zhuǎn)錄激活功能[83],合成LsiR通過與Ⅳ型菌毛合成動(dòng)力蛋白PilB1相互作用,調(diào)控Ⅳ型菌毛在背光側(cè)動(dòng)態(tài)合成從而發(fā)生避光運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然該信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的一些具體細(xì)節(jié)例如UirS的自磷酸化以及將磷酸基團(tuán)向UirR的轉(zhuǎn)移,LsiR與PilB1的相互作用都需要進(jìn)一步證實(shí)。

集胞藻中藍(lán)藻型光敏色素Cph2(Cyanobacteria phytochrome like protein2)編碼基因突變后細(xì)胞會(huì)向單側(cè)藍(lán)光[0.45—1.3 μmol photons/(m2·s)] 或UVA[10 μmol photons/(m2·s)] 照射方向運(yùn)動(dòng),而野生型細(xì)胞在相同條件下靜止不動(dòng),說明Cph2在抑制細(xì)胞向單側(cè)藍(lán)光及UV-A方向運(yùn)動(dòng)的過程中發(fā)揮功能[86,87]。Cph2的N端GAF結(jié)構(gòu)域可結(jié)合發(fā)色團(tuán)后響應(yīng)紅光及遠(yuǎn)紅光,C端GAF結(jié)構(gòu)域結(jié)合發(fā)色團(tuán)后響應(yīng)藍(lán)光及綠光[88—91]。同時(shí)Cph2的C端還含有二鳥苷酸環(huán)化酶結(jié)構(gòu)域GGDEF及環(huán)化二鳥苷酸磷酸酯酶結(jié)構(gòu)域EAL,這兩個(gè)結(jié)構(gòu)域可以分別促進(jìn)兩個(gè)三磷酸鳥苷(GTP,Guanosine triphosphate)環(huán)化形成c-di-GMP或環(huán)化二鳥苷酸水解形成線性分子5′-pGpG,從而調(diào)控胞內(nèi)環(huán)化二鳥苷酸含量[91—93]。實(shí)驗(yàn)表明位于Cph2 C端的GAF和GGDEF結(jié)構(gòu)域可以響應(yīng)藍(lán)光后催化c-di-GMP合成,而胞內(nèi)c-di-GMP含量增加會(huì)抑制細(xì)胞運(yùn)動(dòng)[91]。Cph2所含EAL結(jié)構(gòu)域可以水解c-di-GMP,降低其濃度[91]。Cph2通過感應(yīng)光信號(hào)調(diào)控GGDEF和EAL結(jié)構(gòu)域活性控制胞內(nèi)c-di-GMP含量進(jìn)而影響細(xì)胞運(yùn)動(dòng)[91]。近期研究表明Cph2可以通過調(diào)控胞內(nèi)c-di-GMP濃度影響運(yùn)動(dòng)相關(guān)基因表達(dá),在5 μmol photons/(m2·s)藍(lán)光照射條件下野生型集胞藻中c-di-GMP濃度較5 μmol photons/(m2·s)綠光照射條件下顯著上升,pilA5-pilA6基因表達(dá)顯著下降,pilA9-pilA11表達(dá)量顯著上升,而cph2突變株在相同條件下胞內(nèi)c-di-GMP濃度未發(fā)生顯著變化,野生型細(xì)胞在藍(lán)光照射時(shí)運(yùn)動(dòng)相關(guān)基因表達(dá)模式的改變?nèi)绾斡绊懠?xì)胞運(yùn)動(dòng)仍需深入研究[94]。c-di-GMP含量升高后如何抑制集胞藻細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的機(jī)制并不清楚。在大腸桿菌中,YcgR蛋白可以在結(jié)合c-di-GMP后與鞭毛動(dòng)力蛋白相互作用,降低鞭毛運(yùn)動(dòng)速率[95,96]。而集胞藻中并不存在YcgR同源蛋白,也未有關(guān)于調(diào)控運(yùn)動(dòng)相關(guān)蛋白可以結(jié)合c-di-GMP的報(bào)道。在霍亂弧菌(Vibrio cholerae)中研究表明MshE(Mannose-sensitive haemagglutinin E)型ATP酶可以與c-di-GMP結(jié)合[97],而該蛋白在集胞藻中的同源蛋白即為Ⅳ型菌毛合成動(dòng)力蛋白PilB1,因此推測(cè)c-di-GMP通過與PilB1結(jié)合影響PilB1功能及Ⅳ型菌毛合成進(jìn)而影響集胞藻運(yùn)動(dòng)。近期研究表明集胞藻中Slr1143蛋白含GGDEF結(jié)構(gòu)域并可催化c-di-GMP合成,該結(jié)構(gòu)域可與Cph2的C端GGDEF及EAL結(jié)構(gòu)域發(fā)生相互作用,slr1143突變后細(xì)胞可在較強(qiáng)[40 μmol photons/(m2·s)] 紅光(640 nm)條件下發(fā)生趨光運(yùn)動(dòng),而該實(shí)驗(yàn)所用野生型集胞藻株在相同條件下不會(huì)發(fā)生趨光運(yùn)動(dòng)[98]。Slr1143的C端含有GAF結(jié)構(gòu)域,其是否可以結(jié)合發(fā)色團(tuán)響應(yīng)紅光并不清楚,其在單側(cè)強(qiáng)紅光照射條件下抑制細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的機(jī)制需要進(jìn)一步探究。

綜上所述,集胞藻感應(yīng)光照信號(hào)后通過多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑將信號(hào)往下傳遞,并最終調(diào)控Ⅳ型菌毛合成與分布進(jìn)而控制細(xì)胞運(yùn)動(dòng)或靜止(如通過Cph2控制胞內(nèi)c-di-GMP含量調(diào)控)或產(chǎn)生趨光或避光運(yùn)動(dòng)(如通過PatA家族蛋白PixE、PixG、LsiR與Ⅳ型菌毛合成動(dòng)力蛋白PilB1相互作用調(diào)控)。已報(bào)道光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路最終都是通過調(diào)控Ⅳ型菌毛合成蛋白PilB1實(shí)現(xiàn)對(duì)集胞藻蹭動(dòng)調(diào)控,研究表明PilB1在集胞藻運(yùn)動(dòng)過程中定位于運(yùn)動(dòng)方向一側(cè)的細(xì)胞前端,說明PilB1在細(xì)胞內(nèi)的定位對(duì)細(xì)胞完成趨光或避光運(yùn)動(dòng)行為具有重要作用[99]。而調(diào)控Ⅳ型菌毛合成的另外一個(gè)動(dòng)力蛋白PilT1是否參與到信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中需要進(jìn)一步研究。集胞藻中還存在一個(gè)PilT1同源蛋白PilT2,PilT2編碼基因突變后細(xì)胞在單側(cè)白光照射條件下會(huì)產(chǎn)生避光運(yùn)動(dòng)[42],而PilT2本身不含感光結(jié)構(gòu)域,其影響細(xì)胞趨光運(yùn)動(dòng)的機(jī)制也需要進(jìn)一步揭示。集胞藻參與趨光運(yùn)動(dòng)感光與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)基因及功能在表2中列出。

表2 集胞藻參與趨光運(yùn)動(dòng)感光與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)基因及功能Tab.2 Genes involved in light sensing and signal transduction of phototaxis in Synechocystis

其他調(diào)控集胞藻運(yùn)動(dòng)相關(guān)蛋白集胞藻中還存在一些蛋白在細(xì)胞運(yùn)動(dòng)中起到重要作用,這些蛋白并不直接參與Ⅳ型菌毛的組成或者裝配過程,但這些蛋白可以在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平上調(diào)控直接參與Ⅳ型菌毛的組成或者裝配蛋白的表達(dá)及功能,或者參與到影響細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的其他過程。這些蛋白編碼基因的突變均會(huì)使集胞藻細(xì)胞喪失運(yùn)動(dòng)能力。

Sigma因子Bhaya等[29]報(bào)道集胞藻中SigF(Sigma factor F,SigF)對(duì)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)是必需的,sigF突變株中Ⅳ型菌毛組成亞基PilA1編碼基因表達(dá)量顯著降低,細(xì)胞表層Ⅳ型菌毛消失,細(xì)胞喪失運(yùn)動(dòng)能力。

信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白集胞藻基因組上存在一個(gè)操縱子slr1041-slr1042-slr1043-slr1044,分別命名為pilG-pilH-pilI-pilJ。該操縱子中相關(guān)基因突變會(huì)影響細(xì)胞表層Ⅳ型菌毛合成進(jìn)而影響細(xì)胞運(yùn)動(dòng)[106]。其中pilG突變會(huì)使細(xì)胞運(yùn)動(dòng)能力減弱,pilH、pilI和pilJ突變會(huì)使細(xì)胞喪失運(yùn)動(dòng)能力,pilH突變會(huì)使細(xì)胞表層Ⅳ型菌毛增多,pilI和pilJ突變會(huì)使細(xì)胞表層Ⅳ型菌毛顯著減少[106]。PilG屬于CheY類似蛋白,并且屬于PatA家族蛋白,PilH屬于CheY類似蛋白,PilI屬于CheW類似蛋白,PilJ為含有MCP結(jié)構(gòu)域蛋白,該操縱子編碼蛋白種類與pixJ2所在操縱子類似,但缺少直接感光蛋白,其調(diào)控集胞藻運(yùn)動(dòng)機(jī)制需要進(jìn)一步研究。另外,依據(jù)蛋白序列同源性比對(duì),集胞藻中PilL同源蛋白由兩個(gè)獨(dú)立開放閱讀框編碼,分別是pilL-N(slr0073)和pilL-C(slr0322)。pilLN基因突變會(huì)使細(xì)胞表層Ⅳ型菌毛增多,細(xì)胞運(yùn)動(dòng)能力喪失[106]。pilL-C基因突變會(huì)使細(xì)胞表層Ⅳ型菌毛幾乎消失,細(xì)胞運(yùn)動(dòng)能力喪失[106]。PilL-N含有Hpt(Histidine-containing phosphotransfer)結(jié)構(gòu)域,該結(jié)構(gòu)域在二元信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移過程中發(fā)揮重要作用。PilL-N含有H-kinase_dim,HATPase_c及Response-reg結(jié)構(gòu)域,這些結(jié)構(gòu)域在二元信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中組氨酸激酶二聚化,自磷酸化及磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移等方面具有重要功能。這兩個(gè)蛋白具體怎樣影響集胞藻中Ⅳ型菌毛合成并影響細(xì)胞運(yùn)動(dòng)需要進(jìn)一步探究。

分子伴侶、ABC轉(zhuǎn)運(yùn)子、絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶和未知功能蛋白。Bhaya等[107]利用轉(zhuǎn)座子隨機(jī)插入突變方式在集胞藻中篩選到很多喪失運(yùn)動(dòng)能力基因突變株,這些基因包括sll0058、sll0415、sll0564、sll0565、sll1575,slr1301、slr1964、sll0183和sll0301。其他研究組也有關(guān)于基因突變導(dǎo)致集胞藻細(xì)胞喪失運(yùn)動(dòng)能力的報(bào)道,例如sll1384和slr1443[108,109]。這些基因分別編碼不同類型蛋白。Sll0058屬于分子伴侶蛋白Hsp70( Heat shock protein family 70)家族,Sll1384屬于分子伴侶蛋白Hsp40( Heat shock protein family 40)家族,這兩個(gè)蛋白可能發(fā)生相互作用并共同影響細(xì)胞運(yùn)動(dòng)相關(guān)過程。Sll0415屬于ABC(ATP Binding Cassette)轉(zhuǎn)運(yùn)子,在集胞藻中可能參與轉(zhuǎn)運(yùn)影響運(yùn)動(dòng)相關(guān)蛋白。Sll1575(SpkA,Serine/threonine protein kinase A)和Slr1443(SpkE,Serine/threonine protein kinase E)屬于真核生物絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶類似蛋白,sll1575突變會(huì)使胞內(nèi)少量菌毛亞基編碼基因操縱子pilA9-pilA10-pilA11轉(zhuǎn)錄水平顯著下調(diào),進(jìn)而影響細(xì)胞運(yùn)動(dòng)[110,111]。slr1443突變會(huì)使成熟PilA1的數(shù)量減少,表明Slr1443可能在翻譯后水平影響Ⅳ型菌毛亞基合成進(jìn)而影響細(xì)胞運(yùn)動(dòng)[108]。Sll0564屬于泛醌甲基轉(zhuǎn)移酶類似蛋白。Sll0565編碼基因在基因組上位于Sll0564編碼基因下游,Sll0565富含谷氨酸和谷氨酰胺。Slr1301也富含谷氨酸和谷氨酰胺,并可以形成螺旋線圈結(jié)構(gòu)。Slr1964富含谷氨酰胺。Sll0183和Sll0301含有五肽重復(fù)結(jié)構(gòu)域。這些蛋白多數(shù)屬于功能未知蛋白,含有一些未知功能結(jié)構(gòu)域,其影響細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的具體機(jī)制需要進(jìn)一步研究。

2.3 聚球藻參與趨光運(yùn)動(dòng)相關(guān)蛋白及其作用機(jī)制

聚球藻趨光運(yùn)動(dòng)機(jī)制研究較集胞藻少,Yang等[31]從野外環(huán)境中分離到一株聚球藻UTEX3055并對(duì)其趨光運(yùn)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了深入研究。聚球藻UTEX3055基因組測(cè)序與聚球藻PCC7942相似度達(dá)98.5%,但與聚球藻PCC7942不能發(fā)生運(yùn)動(dòng)不同,該種藻可以發(fā)生趨光運(yùn)動(dòng)[31]。該藻基因組上一個(gè)由六個(gè)基因構(gòu)成的基因簇UTEX3055_0945-0950,對(duì)該藻的趨光運(yùn)動(dòng)具有重要作用[31]。該基因簇與集胞藻中sll0038-sll0043基因簇類似,所編碼蛋白為參與某些細(xì)菌趨化運(yùn)動(dòng)過程同源蛋白,其中UTEX3055_0945-0946編碼CheY類似蛋白,UTEX3055_0947、UTEX3055_0950編碼CheW類似蛋白,UTEX3055_0948編碼含有MCP及GAF等結(jié)構(gòu)域蛋白,UTEX3055_0949編碼CheA類似蛋白[31]。UTEX3055_0945-0946突變細(xì)胞喪失趨光運(yùn)動(dòng)能力,在50 μmol photons/(m2·s)單側(cè)白光照射條件下細(xì)胞并未向光源方向移動(dòng),野生型細(xì)胞在相同條件下展現(xiàn)出趨光運(yùn)動(dòng)表型[31]。與集胞藻sll0038-sll0043基因簇中相關(guān)基因突變后表型不同,UTEX3055_0945-0946突變細(xì)胞并未展現(xiàn)出避光運(yùn)動(dòng)表型[31]。UTEX3055_0947,UTEX3055_0950突變并未影響細(xì)胞趨光運(yùn)動(dòng)能力[31]。UTEX3055_0948與UTEX3055_0949突變后細(xì)胞在50 μmol photons/(m2·s)單側(cè)白光照射條件下喪失趨光運(yùn)動(dòng)能力,但未表現(xiàn)出避光運(yùn)動(dòng)表型[31]。UTEX3055_0948編碼蛋白與集胞藻中PixJ1/TaxD1類似但并不相同,UTEX3055_0948編碼蛋白N端含有5個(gè)GAF(編號(hào)GAF1-5)結(jié)構(gòu)域,且都包含在發(fā)色團(tuán)結(jié)合及感光方面發(fā)揮重要作用的兩個(gè)半胱氨酸殘基[31]。體外表達(dá)GAF2發(fā)現(xiàn)其可以結(jié)合發(fā)色團(tuán)響應(yīng)藍(lán)光和綠光[31]。通過組合敲除不同GAF結(jié)構(gòu)域發(fā)現(xiàn),同時(shí)敲除5個(gè)GAF結(jié)構(gòu)域細(xì)胞與UTEX3055_0948突變表型一致,細(xì)胞在50 μmol photons/(m2·s)單側(cè)白光照射條件下不會(huì)發(fā)生趨光或避光運(yùn)動(dòng),單獨(dú)敲除GAF4或同時(shí)敲除GAF4及GAF5細(xì)胞在單側(cè)白光照射條件下發(fā)生避光運(yùn)動(dòng),同時(shí)敲除GAF1-3或GAF2-4或GAF1-4或GAF1-3,GAF5細(xì)胞在單側(cè)白光照射條件下表現(xiàn)出與野生型類似的趨光運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,暗示聚球藻UTEX3055通過調(diào)控UTEX3055_0948編碼蛋白中不同GAF結(jié)構(gòu)域的功能調(diào)節(jié)細(xì)胞發(fā)生趨光或避光運(yùn)動(dòng)[31],與集胞藻通過多條信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)節(jié)細(xì)胞發(fā)生趨光或避光運(yùn)動(dòng)相比,該調(diào)節(jié)途徑相對(duì)簡(jiǎn)單。聚球藻UTEX3055中是否存在其他調(diào)控細(xì)胞趨光運(yùn)動(dòng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑需要進(jìn)一步探究。聚球藻UTEX3055細(xì)胞呈棒狀,但其感光機(jī)制可能與呈球狀的集胞藻類似,單側(cè)光線從一側(cè)射入經(jīng)細(xì)胞類似透鏡匯聚后落于細(xì)胞背光側(cè)[31],聚球藻UTEX3055細(xì)胞內(nèi)感光蛋白(如UTEX3055_0948編碼蛋白)感應(yīng)光照信號(hào)并通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)控細(xì)胞發(fā)生趨光或避光運(yùn)動(dòng)。

2.4 藍(lán)藻蹭動(dòng)意義

藍(lán)藻借助Ⅳ型菌毛伸縮沿固體表面發(fā)生蹭動(dòng)響應(yīng)外界環(huán)境變化并作出反應(yīng)是長(zhǎng)期進(jìn)化形成的積極適應(yīng)環(huán)境變化的有效策略。藍(lán)藻作為自養(yǎng)型光合放氧生物,對(duì)外界環(huán)境中光照及無機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽需求較高,淡水單細(xì)胞藍(lán)藻生存環(huán)境較開放海洋中聚球藻更為復(fù)雜多變,因此其通過蹭動(dòng)尋求更為有利的光照或營(yíng)養(yǎng)環(huán)境對(duì)實(shí)現(xiàn)自身更好地生長(zhǎng)尤為重要。對(duì)單細(xì)胞藍(lán)藻趨光運(yùn)動(dòng)調(diào)控機(jī)制研究較為清晰,單細(xì)胞藍(lán)藻類似透鏡感應(yīng)光照方向并通過自身感光蛋白感應(yīng)光照信號(hào),通過一系列信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)控細(xì)胞表層Ⅳ型菌毛合成及分布,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞趨光或避光運(yùn)動(dòng),體現(xiàn)了單細(xì)胞藍(lán)藻響應(yīng)光照并作出反應(yīng)的精細(xì)調(diào)控過程。目前對(duì)藍(lán)藻蹭動(dòng)研究主要基于實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù),并且多數(shù)為對(duì)單側(cè)光照響應(yīng)(趨光或避光運(yùn)動(dòng)),藍(lán)藻是否像某些細(xì)菌(如大腸桿菌)一樣響應(yīng)化學(xué)物質(zhì)濃度存在趨化運(yùn)動(dòng)(利用Ⅳ型菌毛)反應(yīng)需要進(jìn)一步研究。在集胞藻中UirS除可以感應(yīng)光信號(hào)外,還可以與乙烯結(jié)合,因此該蛋白又命名為SynEtr1(SynechocystisEthylene Response1),SynEtr1結(jié)合乙烯的結(jié)構(gòu)域?yàn)槲挥贜端的3個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域,SynEtr1結(jié)合乙烯后可以促進(jìn)細(xì)胞向單側(cè)光照方向移動(dòng)[112],說明集胞藻可以響應(yīng)化學(xué)物質(zhì)濃度影響趨光運(yùn)動(dòng),但集胞藻能否響應(yīng)環(huán)境中不同濃度乙烯并通過運(yùn)動(dòng)作出反應(yīng)并不清楚。另外,在自然環(huán)境中對(duì)單細(xì)胞藍(lán)藻能否通過蹭動(dòng)有效改善自身生存環(huán)境,促進(jìn)自身生長(zhǎng)也需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)揭示。

3 藍(lán)藻滑動(dòng)

3.1 絲狀藍(lán)藻滑動(dòng)現(xiàn)象描述

藍(lán)藻滑動(dòng)通常指某些絲狀藍(lán)藻沿固體表面滑動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式,如某些顫藻目或念珠藻目中的絲狀藍(lán)藻沿固體表面滑動(dòng)。這些絲狀藍(lán)藻在各個(gè)時(shí)期都會(huì)滑動(dòng),并且其滑動(dòng)時(shí)不會(huì)借助鞭毛或Ⅳ型菌毛,藻絲一般在光滑表面上沿著絲狀藍(lán)藻長(zhǎng)軸方向運(yùn)行,速率通常不超過11 μm/s[4,113]。顫藻目和念珠藻目中的絲狀藍(lán)藻滑動(dòng)形式并不完全一樣,顫藻科中某些藍(lán)藻如顫藻屬(Oscillatoria)、席藻屬(Phormidium)和鞘絲藻屬(Lyngbya)中的某些種類,藻絲滑動(dòng)的同時(shí)會(huì)發(fā)生沿藻絲長(zhǎng)軸方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向與藻種類有關(guān),有些順時(shí)針旋轉(zhuǎn),如Phormidium uncinatum,有些逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)如Oscillatoria princeps[114]。而念珠藻科某些藍(lán)藻如魚腥藻屬(Anabaena)中的某些種類藻絲滑動(dòng)時(shí)并不旋轉(zhuǎn),而可以橫向或側(cè)向運(yùn)動(dòng),也可沿著底物表層按U型滑動(dòng)[115]。絲狀藍(lán)藻在未受到外界環(huán)境刺激時(shí),可以沿某個(gè)方向運(yùn)動(dòng)5—8min,然后轉(zhuǎn)換方向運(yùn)動(dòng)[3,113]。藍(lán)藻滑動(dòng)時(shí)通常伴隨著黏液分泌,覆蓋絲狀藍(lán)藻整個(gè)表層,并且會(huì)在藍(lán)藻沿表層運(yùn)動(dòng)后留下印記[113,116]。

3.2 絲狀藍(lán)藻滑動(dòng)相關(guān)蛋白及作用機(jī)制

目前關(guān)于絲狀藍(lán)藻滑動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)制有兩種模型解釋。一種是表層波動(dòng)模型(圖3),該模型提出基于的實(shí)驗(yàn)證據(jù)是顫藻屬(Oscillatoria),鞘絲藻屬(Lyngbya),席藻屬(Phormidium)中某些種類藻外膜上存在呈螺旋狀排列的纖維絲,這些纖維絲在不同藻中的直徑不盡相同(5—30 nm),所處位置也不完全一樣。有些位于肽聚糖層與外膜層之間,例如Oscillatoria animalis,Oscillatoriastrain A2,有些位于外膜外層S-layer上,例如Phormidium uncinatum。這些纖維絲收縮會(huì)在表層產(chǎn)生波動(dòng)力,進(jìn)而使細(xì)胞沿著底物接觸面滑動(dòng)[114,117—119]。席藻(Phormidium uncinatum)中纖維絲的組成成分已得以鑒定,其表層纖維絲由一種稱為振蕩蛋白的糖蛋白構(gòu)成,該蛋白含有鈣離子結(jié)合位點(diǎn),由646個(gè)氨基酸殘基組成,該蛋白以螺旋狀排列方式定位于S-layer上[120]。表層波動(dòng)模型中纖維絲收縮時(shí)的動(dòng)力來源并不清楚,有些種類纖維絲位于外膜外層S-layer上,很難與提供質(zhì)子動(dòng)力或鈉動(dòng)力的細(xì)胞質(zhì)膜產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。另外對(duì)于只沿藻絲長(zhǎng)軸方向滑動(dòng)而不發(fā)生自身轉(zhuǎn)動(dòng)的藻類其藻絲表層并不存在螺旋排列纖維,這些藻類的滑動(dòng)機(jī)理無法用該模型解釋。另外一種解釋絲狀藍(lán)藻滑動(dòng)機(jī)制的模型是黏液噴出模型(圖4),該模型基于的實(shí)驗(yàn)依據(jù)是一些絲狀藍(lán)藻細(xì)胞連接處存在一些孔狀結(jié)構(gòu),這些孔狀結(jié)構(gòu)按一定角度呈環(huán)形排列于細(xì)胞間隔膜處,穿過細(xì)胞膜,肽聚糖層及外膜[116]。研究者推測(cè)黏液就是由這些孔狀結(jié)構(gòu)噴出,位于同一側(cè)的孔狀結(jié)構(gòu)可以同時(shí)噴出黏液并產(chǎn)生推動(dòng)力推動(dòng)藻絲表層沿著底物表層向前滑動(dòng),方向改變時(shí)位于另一側(cè)的孔狀結(jié)構(gòu)同時(shí)噴出黏液使藻絲沿著底物表層向反方向運(yùn)動(dòng)[116]。由于某些種類藻絲表層存在螺旋狀排列的纖維絲,所以所噴出黏液可以沿螺旋狀纖維絲流動(dòng),使藻絲產(chǎn)生向前推動(dòng)力的同時(shí)產(chǎn)生與藻絲長(zhǎng)軸方向垂直的側(cè)向力,使藻絲發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向與纖維絲排列方向有關(guān)[116]。黏液噴出提供動(dòng)力使藍(lán)藻滑動(dòng)的機(jī)制應(yīng)該與黃色黏球菌有相似之處。Wolgemuth等[121]認(rèn)為黏液在細(xì)胞質(zhì)膜處以脫水形式形成類似聚電解質(zhì)凝膠,然后進(jìn)入孔狀結(jié)構(gòu),當(dāng)從孔狀結(jié)構(gòu)分泌到胞外時(shí),驟然吸水膨脹進(jìn)而產(chǎn)生推力。黏液噴出模型中缺少黏液從孔狀復(fù)合體噴出的直接證據(jù),另外位于同一側(cè)的孔狀復(fù)合體如何協(xié)同作用噴出黏液并不清楚。對(duì)這2種模型的驗(yàn)證均需要更多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

圖3 解釋絲狀藍(lán)藻滑動(dòng)的表層波動(dòng)模型模式圖Fig.3 A model diagram to display surface waves producing by sliding filamentous cyanobacteria cells

3.3 藻殖段滑動(dòng)現(xiàn)象描述

藻殖段(Hormogonia)是某些絲狀藍(lán)藻在特定時(shí)期由長(zhǎng)藻絲分化形成的短絲狀體[122]。念珠藻目(Nostocales)和真枝藻目(Stigonematales)中某些屬內(nèi)的絲狀藍(lán)藻,如念珠藻屬(Nostoc),側(cè)生藻屬(Fischerella)均可在特定環(huán)境下產(chǎn)生藻殖段。以點(diǎn)狀念珠藻(Nostoc punctiforme)為例,長(zhǎng)絲狀營(yíng)養(yǎng)藻絲并不能運(yùn)動(dòng),但當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí),長(zhǎng)絲狀營(yíng)養(yǎng)藻絲片段化并分化產(chǎn)生的藻殖段可以運(yùn)動(dòng),這與上文描述的顫藻屬魚腥藻屬藻絲一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同[123]。藻殖段運(yùn)動(dòng)發(fā)生在特定時(shí)期,通常是分化形成的前48—72h,而后停止運(yùn)動(dòng)分化產(chǎn)生異形胞并形成長(zhǎng)絲狀營(yíng)養(yǎng)藻絲[123]。藻殖段滑動(dòng)速度在0.5—3 μm/s,運(yùn)動(dòng)有時(shí)會(huì)伴隨沿藻絲長(zhǎng)軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng),藻殖段滑動(dòng)過后也會(huì)留下黏液痕跡[124—126]。

圖4 解釋絲狀藍(lán)藻滑動(dòng)的黏液噴出模型模式圖Fig.4 The slime extrusion model diagram for gliding in filamentous cyanobacteria

3.4 藻殖段滑動(dòng)相關(guān)蛋白及作用機(jī)制

Robinson等[126]報(bào)道真枝藻目中的層理鞭枝藻(Mastigocladus laminosus)所形成藻殖段可能利用細(xì)胞連接處呈環(huán)形排列的孔狀結(jié)構(gòu)噴出黏液提供動(dòng)力使其滑動(dòng),這類似于解釋一直處于滑動(dòng)狀態(tài)的顫藻目和念珠藻目中某些藻類動(dòng)力提供機(jī)制的黏液噴出模型。但該種藻所形成藻殖段細(xì)胞連接處的孔狀結(jié)構(gòu)與顫藻目中某些絲狀藻類的孔狀復(fù)合體是否為同一類結(jié)構(gòu)并不清楚,并且孔狀復(fù)合體具體組成成分及形成機(jī)制需要提供更多實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

某些念珠藻目藍(lán)藻如Calothrixsp PCC 7601及點(diǎn)狀念珠藻在藻殖段形成時(shí),細(xì)胞表層會(huì)形成Ⅳ型菌毛類似結(jié)構(gòu)[125,127],暗示這些藻類藻殖段滑動(dòng)可能與Ⅳ型菌毛有關(guān)。可進(jìn)行遺傳操作的點(diǎn)狀念珠藻是探索藻殖段滑動(dòng)機(jī)制的良好材料。點(diǎn)狀念珠藻基因組中存在15種與Ⅳ型菌毛合成相關(guān)蛋白的編碼基因,這些基因多數(shù)在點(diǎn)狀念珠藻產(chǎn)生藻殖段時(shí)顯著上調(diào)表達(dá)[125,128]。當(dāng)插入失活pilA、pilB、pilT1和pilQ同源基因時(shí)藻殖段會(huì)喪失運(yùn)動(dòng)能力[125,128],這說明藻殖段運(yùn)動(dòng)需要Ⅳ型菌毛參與。點(diǎn)狀念珠藻藻殖段細(xì)胞內(nèi)Ⅳ型菌毛組成亞基PilA呈環(huán)狀定位于發(fā)生滑動(dòng)藻殖段細(xì)胞的細(xì)胞連接處,并且藻殖段內(nèi)每個(gè)細(xì)胞連接處的PilA通常定位于藻殖段同一側(cè),暗示藻殖段滑動(dòng)時(shí)位于細(xì)胞連接處同一側(cè)的Ⅳ型菌毛會(huì)協(xié)同作用[128]。

點(diǎn)狀念珠藻藻殖段運(yùn)動(dòng)及分化過程聯(lián)系緊密,受相關(guān)基因嚴(yán)格調(diào)控,通常影響點(diǎn)狀念珠藻藻殖段運(yùn)動(dòng)的基因?qū)ζ浞只^程也會(huì)產(chǎn)生影響。除上述Ⅳ型菌毛同源基因外,點(diǎn)狀念珠藻基因組上有兩個(gè)基因簇與藻殖段運(yùn)動(dòng)及分化有關(guān)。一個(gè)是有5個(gè)基因組成的hmp(Hormogonia motility and polysaccharide)基因簇,編碼趨化運(yùn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)蛋白的同源蛋白,其中HmpA和HmpB為CheY類似蛋白,HmpC為CheW類似蛋白,HmpD為含有MCP結(jié)構(gòu)域蛋白,HmpE為CheA類似蛋白,突變株表型檢測(cè)表明,除HmpA外,HmpB-E對(duì)藻殖段運(yùn)動(dòng)及分化是必需的[129—130]。這些基因編碼蛋白定位于藻殖段細(xì)胞連接處,并呈環(huán)裝排列,可能參與調(diào)控Ⅳ型菌毛的合成[130]。另外一個(gè)基因簇為hps(Hormogonia polysaccharide secretion system)基因簇,編碼糖基轉(zhuǎn)移蛋白和少量菌毛亞基同源蛋白[128]。該基因簇中hpsA-G對(duì)藻殖段運(yùn)動(dòng)都是必需的,hpsB-D編碼少量菌毛亞基同源蛋白,可能輔助Ⅳ型菌毛組成亞基PilA組裝并發(fā)揮功能[128]。當(dāng)在hpsE-G糖基轉(zhuǎn)移酶編碼基因突變株培養(yǎng)環(huán)境中添加培養(yǎng)過野生型點(diǎn)狀念珠藻藻殖段培養(yǎng)基時(shí),其運(yùn)動(dòng)能力可得以恢復(fù),暗示藻殖段分泌多糖可以促進(jìn)藻殖段運(yùn)動(dòng),而不是為藻殖段運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力[128]。另外點(diǎn)狀念珠藻基因組上編碼的獨(dú)立開放閱讀框hpsH,該基因編碼蛋白與HpsB-D具有同源性,也可能輔助Ⅳ型菌毛組成亞基PilA組裝并發(fā)揮功能,但hpsH突變?cè)逯扯稳匀豢梢赃\(yùn)動(dòng)[128]。

近期研究表明還有一些蛋白對(duì)點(diǎn)狀念珠藻藻殖段運(yùn)動(dòng)或分化有重要作用,例如HmpF、HmpU、HmpV、HmpW、OGTA(O-linked-β-N-acetylglucosamine transferase A)、SigC、SigF和SigJ[131—134]。點(diǎn)狀念珠藻藻殖段中HmpF與菌毛組成亞基PilA具有類似的定位方式,均定位于藻細(xì)胞的一端,hmpF突變株運(yùn)動(dòng)能力完全喪失,且突變株中胞外PilA含量顯著下降,說明HmpF對(duì)點(diǎn)狀念珠藻藻殖段Ⅳ型菌毛正常定位及功能發(fā)揮具有重要作用[131]。hmpU和hmpV突變株藻殖段運(yùn)動(dòng)受到抑制,菌毛組成亞基PilA在胞外的積累減少;hmpW突變株藻殖段運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng);hmpV突變后pilB、hmpF和hpsE等與藻殖段運(yùn)動(dòng)相關(guān)基因表達(dá)量顯著下調(diào);HmpW與HmpV可以發(fā)生相互作用,HmpU與HmpW分別含有絲氨酸磷酸酶結(jié)構(gòu)域和絲氨酸激酶結(jié)構(gòu)域,它們可能通過調(diào)控HmpV的磷酸化狀態(tài)從而影響下游與藻殖段運(yùn)動(dòng)相關(guān)基因表達(dá)或蛋白定位,進(jìn)而影響藻殖段運(yùn)動(dòng)[132]。OGTA是點(diǎn)狀念珠藻乙酰氨基葡萄糖轉(zhuǎn)移酶類似蛋白,該蛋白編碼基因突變會(huì)在轉(zhuǎn)錄后水平影響點(diǎn)狀念珠藻藻殖段菌毛組成亞基PilA積累,進(jìn)而影響藻殖段運(yùn)動(dòng)[133]。點(diǎn)狀念珠藻中SigC、SigF和SigJ編碼基因突變均會(huì)使藻殖段完全喪失運(yùn)動(dòng)能力,sigC突變株中胞外菌毛組成亞基PilA積累量顯著下降,sigF和sigJ突變株中胞內(nèi)外菌毛組成亞基PilA含量均顯著下降;SigJ可增強(qiáng)大多數(shù)藻殖段發(fā)育過程中特異性表達(dá)基因(包括Ⅳ型菌毛合成相關(guān)基因等)的轉(zhuǎn)錄表達(dá),SigC主要影響細(xì)胞分裂相關(guān)基因表達(dá),SigF主要調(diào)控菌毛組成亞基編碼基因pilA的轉(zhuǎn)錄水平,這些蛋白通過在轉(zhuǎn)錄水平直接或間接影響藻殖段運(yùn)動(dòng)或分化相關(guān)基因表達(dá)進(jìn)而影響藻殖段運(yùn)動(dòng)或分化[134]。

Khayatan等[128]對(duì)藻殖段運(yùn)動(dòng)機(jī)制提出了一種模型解釋(圖5),認(rèn)為藻殖段細(xì)胞連接處的孔狀結(jié)構(gòu)由Ⅳ型菌毛合成及多糖分泌蛋白復(fù)合體構(gòu)成,藻殖段運(yùn)動(dòng)可能依靠定位于藻殖段細(xì)胞間連接孔復(fù)合體的Ⅳ型菌毛延長(zhǎng)與收縮提供動(dòng)力,而菌毛與介質(zhì)表層的黏附需要借助分泌至胞外的多糖實(shí)現(xiàn)。藻殖段細(xì)胞如何協(xié)同調(diào)控位于藻殖段細(xì)胞間連接孔復(fù)合體的Ⅳ型菌毛組裝過程,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)藻殖段的運(yùn)動(dòng)需要進(jìn)一步研究。藻殖段滑動(dòng)形式與絲狀藍(lán)藻相似,而其滑動(dòng)時(shí)借助Ⅳ型菌毛與集胞藻蹭動(dòng)類似,說明藻殖段滑動(dòng)是一種相對(duì)特殊的運(yùn)動(dòng)形式。

3.5 絲狀藍(lán)藻滑動(dòng)意義

絲狀藍(lán)藻滑動(dòng)較單細(xì)胞藍(lán)藻泳動(dòng)或蹭動(dòng)形式及調(diào)控機(jī)制更為復(fù)雜,涉及多個(gè)細(xì)胞協(xié)同作用。絲狀藍(lán)藻滑動(dòng)是較復(fù)雜藍(lán)藻對(duì)外部環(huán)境變化產(chǎn)生反應(yīng)并積極適應(yīng)外界環(huán)境的體現(xiàn),通過滑動(dòng)可以響應(yīng)外部環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)濃度和光照強(qiáng)度。研究表明Oscillatoriasp.可以在光照條件下產(chǎn)生向較高濃度二氧化碳、碳酸氫鹽及氧氣環(huán)境滑動(dòng)的表型[135],Oscillatoria terebriformis滑動(dòng)則受到環(huán)境中果糖及硫化物濃度升高的抑制[136,137],說明這些絲狀藍(lán)藻可以感應(yīng)環(huán)境中物質(zhì)濃度并作出反應(yīng)。絲狀藍(lán)藻滑動(dòng)通常受外部光照環(huán)境影響,Phonnidium uncinatum藻絲在變光環(huán)境下,無論光照突然增強(qiáng)或減弱,藻絲都會(huì)改變?cè)瓉淼幕瑒?dòng)方向,光信號(hào)的感應(yīng)可能與跨類囊體膜的質(zhì)子梯度有關(guān),鈣離子在信號(hào)感應(yīng)中也具有重要作用,但具體機(jī)制還不清楚[138]。Anabaena variabilis藻絲在弱光條件下發(fā)生趨光運(yùn)動(dòng),在強(qiáng)光條件下發(fā)生避光運(yùn)動(dòng),該反應(yīng)與單細(xì)胞藻類如集胞藻光反應(yīng)類似,但其光信號(hào)感應(yīng)機(jī)制并不清楚[139]。這種對(duì)不同光照強(qiáng)度的感應(yīng)及相應(yīng)滑動(dòng)方向的調(diào)整可以使藻絲在自然界中選擇具有合適光照強(qiáng)度的區(qū)域生長(zhǎng),避免光照過強(qiáng)或過弱影響藻絲生長(zhǎng)。自然界中很多絲狀藍(lán)藻生活在一些處于極端環(huán)境例如熱泉、高鹽沙漠湖泊微生物墊的上層,具有滑動(dòng)能力能使其在微生物墊中平行或垂直移動(dòng),從而在這樣的微環(huán)境中尋求最利于自身生長(zhǎng)的光照或營(yíng)養(yǎng)鹽環(huán)境,例如,在墨西哥Guerrero Negro[140]發(fā)現(xiàn)的高鹽底棲微生物墊,其中的絲狀藍(lán)藻Oscillatoriasp.和Spirulinasubsalsa在白天光照較強(qiáng)時(shí)會(huì)遷移至微生物墊下層而在黃昏光照較弱時(shí)又遷移回表層;而在法國(guó)Salins-de-Giraud[141]發(fā)現(xiàn)的高鹽微生物墊中的絲狀藍(lán)藻Microcoleus chthonoplastes白天聚集并遷移至微生物墊上層,而夜晚會(huì)均勻散開;生活在美國(guó)休倫湖沉水坑主要由顫藻目絲狀藍(lán)藻形成的微生物墊中,藻絲展現(xiàn)出較為明顯趨光運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,并且遷移至光區(qū)的絲狀藍(lán)藻光合作用產(chǎn)量較停留在暗區(qū)的絲狀藍(lán)藻高[142]。這些生活在不同環(huán)境中的絲狀藍(lán)藻感應(yīng)外界環(huán)境變化,并通過滑動(dòng)改變自身位置獲得利于自身的生長(zhǎng)條件。

藻殖段作為某些絲狀藍(lán)藻營(yíng)養(yǎng)藻絲響應(yīng)外界營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、光照等條件后形成的短絲狀體,其滑動(dòng)行為對(duì)藍(lán)藻在環(huán)境中的快速傳播及與植物形成共生體具有重要作用[143]。有研究表明藻殖段對(duì)植物分泌物具有類似趨化運(yùn)動(dòng)的行為[143],且藻殖段存在明顯的趨光運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象[144],說明藻殖段可以有效感知外界環(huán)境信號(hào)并通過滑動(dòng)做出響應(yīng)。點(diǎn)狀念珠藻藻殖段可在單側(cè)白光照射條件下發(fā)生趨光運(yùn)動(dòng),其基因組上編碼趨化運(yùn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)同源蛋白的基因簇npF2161-npF2168與藻殖段趨光運(yùn)動(dòng)有關(guān),其中NpF2164和NpF2165是藻殖段趨光運(yùn)動(dòng)所必需的[142]。NpF2164含有MCP結(jié)構(gòu)域及7個(gè)GAF結(jié)構(gòu)域,靠近C端的第7個(gè)GAF可以結(jié)合發(fā)色團(tuán)感應(yīng)橙光和綠光[145],該蛋白可能感應(yīng)外界光照并將信號(hào)往下游傳遞最終實(shí)現(xiàn)藻殖段趨光運(yùn)動(dòng)。該藻基因組上還存在其他編碼趨化運(yùn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)同源蛋白的基因簇,這些基因簇是否調(diào)控藻殖段趨化運(yùn)動(dòng)需要進(jìn)一步研究。以藻殖段滑動(dòng)為基礎(chǔ)的趨化運(yùn)動(dòng)及趨光運(yùn)動(dòng)行為對(duì)其適應(yīng)外界多變環(huán)境具有重要作用。

圖5 絲狀藍(lán)藻藻殖段滑動(dòng)模式圖Fig.5 A model of the hormogonium gliding motility in filamentous cyanobacteria

4 展望

從19世紀(jì)早期發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象至今,關(guān)于藍(lán)藻運(yùn)動(dòng)及其調(diào)控機(jī)制研究已取得很大進(jìn)展。參考其他細(xì)菌運(yùn)動(dòng)調(diào)控機(jī)制,以集胞藻為實(shí)驗(yàn)材料對(duì)藍(lán)藻蹭動(dòng)中的趨光運(yùn)動(dòng)機(jī)制研究最為深入,關(guān)于藍(lán)藻泳動(dòng)及滑動(dòng),研究者也提出了可能的作用機(jī)制模型。圍繞藍(lán)藻運(yùn)動(dòng)研究,仍有許多問題需要研究者解答,主要包括:(1)藍(lán)藻蹭動(dòng)現(xiàn)象中關(guān)于集胞藻的趨光運(yùn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程相對(duì)清晰,但仍有很多細(xì)節(jié)問題需要解答,例如集胞藻中感光蛋白感應(yīng)外界光信號(hào)后將信號(hào)傳遞下去,通過CheY類似PatA家族蛋白(含PATAN結(jié)構(gòu)域)與Ⅳ型菌毛合成動(dòng)力蛋白PilB1相互作用影響Ⅳ型菌毛合成與分布,該相互作用過程如何具體影響Ⅳ型菌毛合成? PatA家族蛋白與PilB1相互作用是促進(jìn)Ⅳ型菌毛合成還是抑制Ⅳ型菌毛合成? 集胞藻中PatA家族蛋白有六個(gè),均含有Response-reg和PATAN結(jié)構(gòu)域,已報(bào)道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該家族中PixE可以與PilB1相互作用,另外五個(gè)是否都與PilB1相互作用? 該家族中PixE與LsiR對(duì)細(xì)胞在單側(cè)光照下的避光運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要,而PixG對(duì)細(xì)胞單側(cè)光照下的趨光運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要,如果它們都通過與PilB1相互作用調(diào)控Ⅳ型菌毛合成與分布進(jìn)而實(shí)現(xiàn)集胞藻趨光或避光運(yùn)動(dòng),它們?nèi)绾螀f(xié)調(diào)該過程?(2)信號(hào)分子環(huán)化腺苷酸(cAMP)及環(huán)化二鳥苷酸(c-di-GMP)在調(diào)控集胞藻蹭動(dòng)中具體功能及作用機(jī)制是什么? cAMP是否只是通過與CRP類轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子結(jié)合影響Ⅳ型菌毛合成相關(guān)蛋白編碼基因轉(zhuǎn)錄水平影響集胞藻蹭動(dòng)? c-di-GMP是否直接通過與PilB1或PilT1的結(jié)合影響集胞藻蹭動(dòng)?(3)集胞藻中使運(yùn)動(dòng)能力喪失的各突變基因所編碼蛋白在細(xì)胞運(yùn)動(dòng)過程中的具體功能是什么?(4)海洋聚球藻泳動(dòng)不借助鞭毛或Ⅳ型菌毛,其動(dòng)力究竟如何產(chǎn)生? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明培養(yǎng)基中鈉離子和鈣離子濃度對(duì)海洋聚球藻泳動(dòng)至關(guān)重要,鈉動(dòng)力和鈣離子去極化如何協(xié)同產(chǎn)生推力需要進(jìn)一步研究。SwmA和SwmB等泳動(dòng)必需蛋白在泳動(dòng)過程中的具體功能需要進(jìn)一步揭示。兩種關(guān)于促使海洋聚球藻泳動(dòng)的波動(dòng)機(jī)理解釋模型需要尋找更多實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持。(5)絲狀藍(lán)藻滑動(dòng)過程中的動(dòng)力如何產(chǎn)生? 關(guān)于絲狀藍(lán)藻滑動(dòng)動(dòng)力產(chǎn)生機(jī)制的兩種模型解釋需要提供更多實(shí)驗(yàn)證據(jù)。(6)藻殖段滑動(dòng)與單細(xì)胞藍(lán)藻蹭動(dòng)均需要Ⅳ型菌毛參與,但二者運(yùn)動(dòng)形式以及參與調(diào)控Ⅳ型菌毛合成的蛋白并不完全相同,藻殖段中各細(xì)胞如何調(diào)控Ⅳ型菌毛合成過程進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)藻殖段滑動(dòng)需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探究。(7)藍(lán)藻運(yùn)動(dòng)在自然環(huán)境中的生態(tài)意義是什么? 能否有效地使藍(lán)藻更好地適應(yīng)環(huán)境? 如躲避高光或UV脅迫,選擇更合適的光照環(huán)境,或通過運(yùn)動(dòng)獲得更利于自身生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境。對(duì)部分絲狀藍(lán)藻在不同環(huán)境微生物墊中滑動(dòng)研究發(fā)現(xiàn),這些絲狀藍(lán)藻通過滑動(dòng)可以改變自身在微生物墊中所處位置,從而改變獲取光照條件進(jìn)而增強(qiáng)光合效率。而對(duì)海洋聚球藻泳動(dòng),淡水單細(xì)胞藍(lán)藻蹭動(dòng)以及藻殖段滑動(dòng)過程,仍然缺少證據(jù)表明這些藻類因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)直接獲益。經(jīng)過研究者不斷探索,相信以上問題在不久的將來可以逐步解決。