单阵列测量揭示细菌中马赛克样化学感应阵列的非均匀性

《Nature Communications》：Single-array measurements reveal non-uniform, mosaic-like chemosensory arrays in bacteria

本研究通过构建CheA::CheY-mYFP融合蛋白，开发了直接测量活细菌个体化学感应阵列激酶活性的新方法，发现阵列具有高度异质性和生长阶段依赖性，呈现马赛克样受体组织，这种非均匀性源于阵列组装历史，改变了我们对细菌信号整合机制的理解。

　　

在微生物世界中，细菌如同微小的航海家，能够感知环境中的化学梯度并调整游动方向，这种行为被称为趋化性。这种精巧的导航能力依赖于细菌表面的超分子结构——化学感应阵列，这些由数千个化学受体组成的精密传感器网络，能够协同工作调控激酶活性，最终通过磷酸化级联反应控制鞭毛马达的转向。然而，尽管科学家们已经通过群体水平测定和单细胞测量对这些感应系统有了相当了解，但一直缺乏有效手段直接观测单个阵列的激酶响应，这限制了对细菌信号传导机制的深入理解。

传统观点认为，化学感应阵列是高度均质的协同单位，但以色列希伯来大学Vered Frank、Nir Livne、Moriah Koler和Ady Vaknin团队在《Nature Communications》上发表的最新研究，通过创新性的单阵列测量技术，颠覆了这一认知。他们发现细菌中的化学感应阵列实际上呈现马赛克样的非均匀结构，每个阵列都具有独特的感官特性，甚至同一细胞内的不同阵列也表现出显著差异。

为突破技术瓶颈，研究团队设计了一种巧妙的分子工具：他们将激酶CheA和响应调节蛋白CheY融合成一个杂交蛋白(CheA::CheY-mYFP)，使其永久定位于阵列中。同时，他们对磷酸酶CheZ进行荧光标记并引入F98S突变，消除其与CheA的直接相互作用但保留对CheYp的磷酸酶活性。在这种配置下，每个阵列中红色(CheZ-mScarlet)与黄色(CheA::CheY-mYFP)荧光强度的比值，直接反映了每个CheA分子的激酶活性。这种方法首次实现了对活细菌个体感应阵列激酶活性的直接测量。

关键技术方法包括：构建CheA::CheY-mYFP融合蛋白的基因工程菌株；利用FRET(荧光共振能量转移)技术进行群体水平激酶活性测量；单阵列荧光成像与定量分析；受体占有率动态追踪；基于MWC(Monod-Wyman-Changeux)模型的信号整合理论分析；以及行为趋化性实验验证。

单个阵列激酶活性的测量

研究人员发现，在未受刺激状态下，阵列的激酶活性与阵列大小(以CheA::CheY-mYFP荧光为指标)大致呈线性关系。然而，每CheA分子的激酶输出效率在早期或晚期静止生长期的细胞中较高，而在指数生长期的细胞中较低。通过监测配体结合如何调节CheZ与单个受体阵列的结合，他们证实了这种方法的可靠性：添加丝氨酸(3 mM)后，CheZ从阵列解离，表明阵列内激酶活性关闭；而在特定阵列中，天冬氨酸(3 mM)添加没有可观察效应，暗示其激酶活性未变。

单个阵列响应的分布

单个阵列表现出广泛的感觉特性，呈半连续分布。指数生长期时，阵列反应偏向丝氨酸，而静止期则偏向天冬氨酸。大多数单个阵列响应落在"可加性"线上方，表明每个阵列中Tar和Tsr控制的激酶活性存在显著重叠。同一细胞内不同阵列间的响应相关性很弱，表明即使在同一细胞中，不同阵列也具有独特的感觉特性。

单个阵列的受体含量和组装

通过分别标记Tar或Tsr受体，研究人员监测了每个阵列中受体的相对占有率。他们发现，随着细胞进入静止期，阵列大小和Tar或Tsr的量都倾向于增加。在指数期，阵列中的Tar分数往往低于Tsr，而在静止期受体分布变得相似。动态追踪显示，在生长过程中，单个阵列中的Tar占有率会发生渐进性变化，表明阵列内可能发展出高度非均匀的Tar分布。

感觉特性与马赛克受体阵列一致

理论分析表明，传统的MWC模型难以解释观察到的广泛响应范围，而非均匀组成的马赛克样阵列模型则与实验数据高度一致。在这种模型中，阵列由多个具有不同受体组成的协同亚区域组成，其响应特性主要取决于阵列内r值(Tar分数)的分布。模拟显示，即使平均Tar分数的适度变化也能产生与实验观察相当的响应特性显著偏移。

单个阵列剂量响应行为

单个阵列的剂量依赖性响应大多表现出低协同性(Hill系数约1.4)，与群体水平测量结果相似，但显著低于受体组成更均匀的细胞。这种低协同性与提出的马赛克阵列组织观点一致，即阵列内部受体组成的多样性引入了K_1/2变异性，最终降低了表观协同性。

不同的感觉响应在复杂环境中的优势

行为实验表明，生长阶段影响细菌克服驱避剂屏障的能力：指数期细胞( mostly Tsr主导的阵列响应)较难克服驱避剂叶，而早期静止期细胞(具有显著的Tar介导响应)对MeAsp添加更敏感。这种行为差异与阵列的感觉特性一致，表明马赛克阵列允许细胞群体水平的感官多样性，可能提供一种赌注对冲策略。

研究结论表明，细菌化学感应阵列具有高度异质性的马赛克样组织，每个阵列的独特感觉特性反映了其组装历史。阵列内部非均匀的受体分布导致低协同性的剂量响应，改变了我们对细菌信号整合机制的理解。这种阵列组织方式使得细菌群体能够在复杂环境中表现出多样化的行为响应，可能为微生物群体的生态适应性提供优势。

这项研究不仅开发了直接测量单个阵列激酶活性的创新方法，更重要的是揭示了细菌信号传导系统此前未知的复杂性，为理解微生物如何在多变环境中优化其生存策略提供了新的视角。马赛克阵列概念可能也适用于其他多组分生物分子组装体，具有广泛的生物学意义。