PNAS：细菌的“末日”抉择

　　

生物通报道：若是飓风将近，想必大家都要早早开始做准备，枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）也是如此。在一项新研究中，Rice大学和休斯顿大学的科学家们揭示了枯草芽孢杆菌为在艰苦环境下生存做准备的复杂机制，该机制可以延迟芽孢的形成。文章发表在美国国家科学院院刊PNAS上。

“枯草芽孢杆菌的芽孢形成过程涉及了数百个基因，”领导这项研究的Rice大学生物工程教授Oleg Igoshin说。“许多这样的基因已经被研究了数十年，但枯草芽孢杆菌形成芽孢的决定机制仍然是个谜。”

枯草芽孢杆菌是土壤中的常见菌，在食物匮乏时它会形成芽孢。芽孢形成时细菌会发生剧烈的变化，可以说芽孢实际上是一个被两层同心膜包围着的原生质体。当它感觉到外部条件改善时，芽孢种的DNA和蛋白就会重新启动。

虽然枯草芽孢杆菌对人体危害不大，但同样生成芽孢的炭疽是相当危险的。科学家们一直希望能够更好的了解芽孢形成过程，探索复杂遗传学过程的演化，同时保护公共健康。

在芽孢形成过程种，细菌会生成相应的蛋白，这些芽孢形成相关蛋白的出现是有次序的，其中有些蛋白是起始和控制整个芽孢形成过程的“主要调控子”。

“芽孢形成是一个复杂而神秘的过程，”Igoshin说。“面临同样的环境条件，一些细胞选择生成芽孢，而另一些细胞却不会。而且有些细胞明明启动了芽孢形成程序，后来却又回到一般形态。”

Spo0A是芽孢形成的主要调节子，由磷酸化激活，控制着大量相关基因的表达。之前由于无法对Spo0A活性进行直接控制，大大限制了人们对芽孢形成决定机制的了解。现在研究人员通过诱导磷酸化激酶KinA的表达来控制Spo0A的活性，并且将计算机建模与单细胞显微成像结合起来进行研究。他们建立了复杂的计算机模型来模拟枯草芽孢杆菌种的基因调控，并将其与实验观察的结果相比较，从而解析了芽孢形成的决定过程。

在细菌这样小的系统中，信号是很嘈杂的，芽孢形成的信号如何做到清晰可辨呢？研究显示，一系列相互联系的“正反馈”环是关键，在这样的网络中主要调控子以直接或间接的方式调节着其他调控子的量和活性。

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要

Ultrasensitivity of the Bacillus subtilis sporulation decision

Starving Bacillus subtilis cells execute a gene expression program resulting in the formation of stress-resistant spores. Sporulation master regulator, Spo0A, is activated by a phosphorelay and controls the expression of a multitude of genes, including the forespore-specific sigma factor σF and the mother cell-specific sigma factor σE. Identification of the system-level mechanism of the sporulation decision is hindered by a lack of direct control over Spo0A activity. This limitation can be overcome by using a synthetic system in which Spo0A activation is controlled by inducing expression of phosphorelay kinase KinA. This induction results in a switch-like increase in the number of sporulating cells at a threshold of KinA. Using a combination of mathematical modeling and single-cell microscopy, we investigate the origin and physiological significance of this ultrasensitive threshold. The results indicate that the phosphorelay is unable to achieve a sufficiently fast and ultrasensitive response via its positive feedback architecture, suggesting that the sporulation decision is made downstream. In contrast, activation of σF in the forespore and of σE in the mother cell compartments occurs via a cascade of coherent feed-forward loops, and thereby can produce fast and ultrasensitive responses as a result of KinA induction. Unlike σF activation, σE activation in the mother cell compartment only occurs above the KinA threshold, resulting in completion of sporulation. Thus, ultrasensitive σE activation explains the KinA threshold for sporulation induction. We therefore infer that under uncertain conditions, cells initiate sporulation but postpone making the sporulation decision to average stochastic fluctuations and to achieve a robust population response.