《Cell》做Cryo-EM前先“碾磨”样本

【字体: 时间:2019年07月16日 来源:

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  蓝藻(cyanobacteria)是一类能够进行光合作用的特殊细菌。从进化角度来看,它们非常古老。它们的祖先大约在25亿年前首次出现在地球上,通过光合作用产生氧气,为更高形式的生命铺平了道路。

  

部分蓝藻属于多细胞生物,拥有分化的细胞功能:一些细胞进行光合作用;另一些细胞吸收大气中的氮。所以它们可以一边通过光合作用以葡萄糖的形式获得能量,也可以直接用氮生产氨基酸。

那么,一个问题摆在科学家面前——蓝藻单个细胞如何交流以获得物质交换呢?光合细胞向它们的固氮姐妹细胞提供葡萄糖,同样的,氨基酸也需要反向运输。为了达到这个目的,蓝藻发展出了特殊的细胞连接点,允许跨细胞边界交换营养物质和信使,而不必将细胞融合在一起。

然而,有关多细胞丝状蓝藻细胞连接的结构和精细功能还知之甚少,在最新一期的《Cell》中,苏黎世理工大学和Tübingen大学的一组研究人员对Anabaena属的细胞间连接(被称为间隔连接)的结构和功能提出了前所未有的详细解析。

研究人员发现,连接通道由一个蛋白质管组成,两端有塞子密封。管子上覆盖着5个臂状的蛋白质元件,它们的排列方式很像照相机的光圈。

通道穿过不同的细胞膜和细胞壁,将被只有几纳米宽的超薄间隙隔开的两个相邻细胞的细胞质连起来。

“传统显微镜无法解析这些细节,我们通过扩展的低温电子显微镜才获得了前所未有的精度,”分子生物学和生物物理学研究所教授Martin Pilhofer说。

Pilhofer的博士生Gregor Weiss开发了一种制备低温电子显微镜样品的方法。Weiss一层一层地“碾磨”两个细胞之间的连接点,直到足够的薄。如果没有这个预处理,球形的细胞对低温电子显微镜来说可能就太厚了。

蓝藻细胞防泄漏的秘密

“因为连接通道结构复杂,我们怀疑应该存在一种打开和关闭它的机制,”微生物学教授Karl Forchhammer说。他们的团队在不同压力条件下展示了复杂的细胞是如何沟通的。他们用荧光染料标记蓝藻,然后用激光漂白每个细胞从而测量来自邻近细胞的染料流入量。

通过这种方法,他们证明,化学品或黑暗处理时,通道是关闭的,丝状的帽端像虹膜一样闭合,阻断细胞间物质交换。“这种关闭保护机制可以防止一个细胞将有害物质传递给它的相邻细胞,例如,单个细胞受到机械损伤,蓝藻也可以利用这些通道来防止整个网络中的细胞泄漏内容物。”

“这是一项基础生物学研究,虽然没有受人关注的任何潜在应用,但新数据让我们对复杂的生命形式进化有了更深入的了解,”ETH的教授们解释道。这篇文章证明,在进化过程中,不同谱系的细胞独立地“发明”细胞连接,它强调了多细胞生物监测物质在其单个细胞之间的运输是多么的重要。

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原文检索:Structure and Function of a Bacterial Gap Junction Analog

(生物通:伍松)

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