《细胞》头条细述细胞分裂的奥秘

　　

生物通报道：40亿年前，也就是在地表温度降低后，原始细胞也许就已经开始了复制，并在没有蛋白机器和细胞壁的情况下进行分裂，这些细胞仅有一层脆弱的脂质膜。那么自出现以来，细胞分裂是如何一步步演变的呢？近期一项最新研究就精确分析了这些原始细胞如何能在没有细胞分裂所需的关键结构的条件下，进行细胞分裂的。相关研究成果公布在Cell杂志上。

（L型细菌正在进行细胞分裂，图片来源：Cell）

虽然绝大多数的细菌都有细胞壁，但不少细菌能转换成一种无细胞壁状态，也就是L型（L-form state），这是由英国李斯特研究所的学者于1935年发现的。当时发现念珠状链杆菌发生突变，成为细胞膨大，对渗透敏感，在固体培养基上形成“油煎蛋”似的小菌落，经研究发现，它是一种细胞壁缺损细菌。后来证明许多革兰氏阳性菌或革兰氏阴性菌在实验室或宿主体内都可发生L型突变。

这种状态的细菌能反映原始细胞的结构，这篇文章就以此为研究对象，揭示了细菌如何在L型状态下进行细胞分裂和增殖，从而有助于解析细胞生命的最早形式如何进行复制的。

来自英国纽卡斯尔大学的Jeff Errington是这篇文章的通讯作者，他表示，“最让我惊讶的是，这种机制竟然这样简单。它不需要任何复杂的以蛋白为基础的作用机制”，“因此有理由相信这解释了最原始的细胞，如何能在最早期的进化阶段进行增值的。”

细胞壁是一种围绕细胞的层状结构，主要功能是保护细胞，并维持其形状。这种结构在目前所有已知的主要细菌谱系中存在，而且也有可能存在于最后出现的细菌共同祖先中。细胞壁结构十分重要，因为它是抗生素靶向的靶标，并且许多导致感染性疾病的细菌都会转换成L型状态，用以抵抗抗生素。

对于L型状态而言，也许最引人注目的变化应该就是其复制的方式。复杂细胞分裂依赖的是精确分裂，而L型细菌则是变成不规则形状，然后切断细胞表面凸起，从而形成子细胞。虽然目前科学家们已经了解了与L型状态有关的基因突变，但是这种状态下的复制机制，还属于未知数。

针对这个问题，在新的研究中，Errington和他的同事识别出了两个细菌L型生长所必需的基因变化，其中一个突变是细胞膜中脂肪酸生产增加所必需的，这样细胞表面面积就能扩大。事实上，研究人员发现通过人为地增加细胞的表面积，也能诱导L型转变，和细胞分裂。这表面一个简单的生物物理变化——表面积和体积之间的不平衡，引导了L型细胞分裂。

“我们的这项研究为了解L型细菌如何引起疾病和抵抗抗生素，铺平了道路，”Errington说，“并且这也提出了一种原始细胞的可能复制机制，在近四十亿年前地球上的细菌增多之前就存在的一种机制。”（生物通：张迪）

原文检索：

Romain Mercier, Yoshikazu Kawai, Jeff Errington. Excess Membrane Synthesis Drives a Primitive Mode of Cell Proliferation. Cell, 2013; 152 (5): 997 DOI: 10.1016/j.cell.2013.01.043

The peptidoglycan cell wall is a hallmark of the bacterial subkingdom. Surprisingly, many modern bacteria retain the ability to switch into a wall-free state called the L-form. L-form proliferation is remarkable in being independent of the normally essential FtsZ-based division machinery and in occurring by membrane blebbing and tubulation. We show that mutations leading to excess membrane synthesis are sufficient to drive L-form division in Bacillus subtilis. Artificially increasing the cell surface area to volume ratio in wild-type protoplasts generates similar shape changes and cell division. Our findings show that simple biophysical processes could have supported efficient cell proliferation during the evolution of early cells and provide an extant biological model for studying this problem.