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大肠杆菌鞭毛生长的奇怪方式,北京大学通过单细胞实时荧光成像技术揭示其中奥秘

2019-05-19 07:11:07


iNature2018年5月14日,北京大学白凡课题组与台湾省国立中央大学的研究人员们合作在Nature Communications上在线发表了题为Frequent pauses in?Escherichia coli?flagella elongation revealed by single cell real-time fluorescence imaging的研究论文。在这里,研究人员实时测量了大肠杆菌鞭毛的生长情况,发现虽然生长速率在相似长度下表现出很大的差异,但随着鞭毛长度的延长,其平均衰减。通过对单鞭毛的跟踪,发现生长速率的巨大变化是由于频繁的停顿所致。此外,同一细胞上不同鞭毛的生长速率也存在一定的相关性。该观察结果与注射-扩散模型一致,研究人员认为鞭毛素供应不足是导致大肠杆菌鞭毛生长暂停的原因。



鞭毛细菌使用细菌鞭毛进行运动,该运动由可逆旋转装置、近端短钩和长螺旋丝线【1,2,3,4,5】组成。利用跨膜电化学离子动力驱动细菌鞭毛【6、7、8、9、10、11】快速旋转,鞭毛能以15~100 m/s的速度推进细胞体。先前的研究已经证实鞭毛是从内到外组装的,首先是嵌入在细胞膜中的基底体,顺序杆、钩和丝的结构成分是通过一个Ⅲ型鞭毛分泌系统(T3FSS)(T3FSS)展开和输出的【12、13、14、15】

大肠杆菌的细菌鞭毛


关于鞭毛装配的分子机制的细节仍然知之甚少。 早期使用电子显微镜或暗视野显微镜的研究【17】表明,鞭毛的生长速度随着长度呈指数下降。 相反,Turner等【18】测量了不同荧光团依次标记的生长片段,发现大肠杆菌的平均鞭毛生长速率与长度无关,表现出相对恒定的生长速度。 Evans等人【19】给出了一个预测不断增长的模型的更多支持,他证明了过境通道中展开的鞭毛蛋白亚基之间的连续头 - 尾连接。 然而,这些测量均基于鞭毛长度的群体测量【20】。


用超分辨率成像测量鞭毛生长速率


细菌鞭毛是一种巨大的细胞外蛋白细胞器,从细胞表面挤出。鞭毛丝由数万个鞭毛素亚基组装而成,这些亚基通过鞭毛Ⅲ型分泌系统输出。在此,研究人员实时测量了大肠杆菌鞭毛的生长情况,发现虽然生长速率在相似长度下表现出很大的差异,但随着鞭毛长度的延长,其平均衰减。通过对单鞭毛的跟踪,发现生长速率的巨大变化是由于频繁的停顿所致。此外,同一细胞上不同鞭毛的生长速率也存在一定的相关性。该观察结果与注射-扩散模型一致,研究人员认为鞭毛素供应不足是导致大肠杆菌鞭毛生长暂停的原因。


原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-018-04288-4


参考文献

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10、Bai, F., Minamino, T., Wu, Z., Namba, K. & Xing, J. Coupling between switching regulation and torque generation in bacterial flagellar motor. Phys. Rev. Lett. 108, 178105 (2012).

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12、Minamino, T., Imada, K. & Namba, K. Mechanisms of type III protein export for bacterial flagellar assembly. Mol. Biosyst. 4, 1105–1115 (2008).

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14、Galán, J. E., Lara-Tejero, M., Marlovits, T. C. & Wagner, S. Bacterial type III secretion systems: specialized nanomachines for protein delivery into target cells. Annu. Rev. Microbiol. 68, 415–438 (2014).

15、Xue, R., Ma, Q., Baker, M. A. & Bai, F. A delicate nanoscale motor made by nature-the bacterial flagellar motor. Adv. Sci. 2, 1500129 (2015).

16、Iino, T. Assembly of Salmonella flagellin in vitro and in vivo. J. Supramol. Struct. 2, 372–384 (1974).

17、Aizawa, S. I. & Kubori, T. Bacterial flagellation and cell division. Genes Cells 3, 625–634 (1998).

18、Turner, L., Stern, A. S. & Berg, H. C. Growth of flagellar filaments of Escherichia coli is independent of filament length. J. Bacteriol. 194, 2437–2442 (2012).

19、Evans, L. D. B., Poulter, S., Terentjev, E. M., Hughes, C. & Fraser, G. M. A chain mechanism for flagellum growth. Nature 504, 287–290 (2013).

20、Hughes, K. T. Flagellum length control: how long is long enough? Curr. Biol. 27, R413-R415 (2017).



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