北大学者PNAS解析低渗透压适应机制

　　

2016年9月19日，国际知名学术期刊PNAS以长文在线发表了北京大学生物动态光学成像中心白凡课题组与英国爱丁堡大学Teuta Pilizota课题组的合作研究成果。在题为“Dynamics of Escherichia coli’spassive response to a sudden decrease in external osmolarity”的研究论文中，研究人员通过使用单细胞成像技术，观察描述了大肠杆菌在低渗冲击下的被动机械敏感性响应（passive mechanosensitive response）特征，发现了低渗冲击之后大肠杆菌在初期体积快速膨胀（秒的数量级）之后体积会缓慢的回复（分钟的数量级），甚至可以下降至初始体积之下。该论文在单细胞水平上揭示了机械敏感性门控通道MscL和MscS在低渗冲击响应中的重要作用，并建立了一个数学模型来描述低渗冲击后大肠杆菌体积变化及恢复的机制。这项研究对于理解细菌如何适应环境变化具有重要意义。

大肠杆菌在低渗冲击下的被动机械敏感性响应特征:低渗冲击之后大肠杆菌在初期体积快速膨胀后体积会缓慢的回复，甚至可以下降至初始体积之下，揭示了机械敏感性门控通道MscL和MscS在细菌低渗冲击响应中的重要作用

细菌在多变的渗透压环境中依赖于机械感应调控而存活。针对细菌机械力感应和调控机制的研究对于理解细菌在复杂宿主和环境中的生存有着重要意义。因此，对于细菌机械力感应和机械敏感性通道的研究成为了一个热点。机械敏感性通道在之前的体外研究中展现出其在细菌渗透胁迫响应的重要作用，但是体内研究较少，而且集中在针对细菌种群存活的研究上。

Teuta Pilizota实验组和白凡实验组在单细胞水平上观察并描述了大肠杆菌对低渗冲击的被动机械敏感性响应过程，发现了低渗冲击响应的不同阶段及其活动特征。越强的低渗冲击会导致越强的细胞膨胀，并且在野生型细胞中可能导致越强的过量体积恢复，而且这种特征在渗透冲击强度增加到一定程度时发生饱和。研究人员通过突变体比较分析和数学建模模拟，初步阐释了MscL和MscS通道在低渗冲击响应中的作用主要是在细胞膜壁张力达到阈值后，允许细胞内外的水和溶质顺着其化学势梯度发生迁移，同时细胞内液会顺着机械压强梯度向胞外迁移。机械敏感性门控通道的活动使得被动机械敏感性响应过程有着体积快速上升慢速下降的特点，同时在某些条件下会使得细胞体积在低渗冲击响应过程中变得比初始体积更小。此外，研究人员还发现，在细胞体积降至初始体积之下后，体积的恢复过程可能与钾离子的主动转运有关。这项工作对于进一步研究细菌渗透压调节以及细菌的胁迫响应具有重要的意义。

Dr. Teuta Pilizota和白凡研究员为该论文的共同通讯作者。爱丁堡大学合成及系统生物学中心研究生Renata Buda，北京大学生命科学院2011级本科生刘云啸（现为美国俄亥俄州立大学博士研究生）、杨津（现为美国威斯康辛大学麦迪逊校区博士研究生），以及爱丁堡大学合成及系统生物学中心研究生Smitha Hegde为该论文并列第一作者。本研究得到了国家自然科学基金，Biotechnology and Biological Sciences Research Council，Human Frontier Science Program以及Darwin Trust and Industrial Biotechnology Innovation Centre的支持。

原文摘要：

Dynamics of Escherichia coli’s passive response to a sudden decrease in external osmolarity

For most cells, a sudden decrease in external osmolarity results in fast water influx that can burst the cell. To survive, cells rely on the passive response of mechanosensitive channels, which open under increased membrane tension and allow the release of cytoplasmic solutes and water. Although the gating and the molecular structure of mechanosensitive channels found in Escherichia coli have been extensively studied, the overall dynamics of the whole cellular response remain poorly understood. Here, we characterize E. coli’s passive response to a sudden hypoosmotic shock (downshock) on a single-cell level. We show that initial fast volume expansion is followed by a slow volume recovery that can end below the initial value. Similar response patterns were observed at downshocks of a wide range of magnitudes. Although wild-type cells adapted to osmotic downshocks and resumed growing, cells of a double-mutant (ΔmscL,ΔmscS
ΔmscL,ΔmscS
) strain expanded, but failed to fully recover, often lysing or not resuming growth at high osmotic downshocks. We propose a theoretical model to explain our observations by simulating mechanosensitive channels opening, and subsequent solute efflux and water flux. The model illustrates how solute efflux, driven by mechanical pressure and solute chemical potential, competes with water influx to reduce cellular osmotic pressure and allow volume recovery. Our work highlights the vital role of mechanosensation in bacterial survival.