近缘细菌物种细胞伸长表型可塑性研究揭示PBP2定位演化驱动生长模式多样性

本研究针对细菌细胞伸长机制在近缘物种中的多样性问题，通过荧光D-氨基酸(FDAAs)标记技术揭示了Caulobacteraceae家族中双向、单向及极性伸长模式的共存现象。研究人员发现青霉素结合蛋白PBP2的亚细胞定位差异是驱动Asticcacaulis excentricus单向中膜伸长模式的关键分子机制，并通过系统发育分析证实该表型可塑性在α-变形菌纲中广泛存在。该成果发表于《Nature Communications》，为理解细菌形态进化与抗生素靶向策略提供了新视角。

　　

在微生物学研究领域，细菌如何通过调控细胞伸长实现形态多样性一直是个悬而未决的谜题。传统观点认为近缘物种会采用相似的伸长策略，但这一假设缺乏系统验证。更关键的是，控制细菌伸长的核心机制——肽聚糖(PG)合成机器如青霉素结合蛋白(PBP)的演化规律仍不明确。这些知识空白不仅限制了对细菌形态适应的理解，也阻碍了针对细胞壁合成靶点的抗生素开发。

为解决这些问题，由Marie Delaby和Liu Yang等领衔的国际研究团队在《Nature Communications》发表了创新性成果。研究综合运用荧光D-氨基酸(FDAAs)脉冲追踪、单细胞成像、基因编辑和系统发育分析等技术，首次系统比较了Caulobacteraceae家族近缘物种的伸长模式差异。关键技术包括：通过双色FDAA时序标记解析PG合成时空动态；构建PBP2-mCherry融合蛋白追踪酶定位；使用β-内酰胺抗生素美西林(mecillinam)特异性抑制PBP2活性；以及基于37个保守基因的全基因组系统发育重建。

C. crescentus和A. excentricus具有不同的PG合成模式
通过FDAA脉冲追踪实验发现，Caulobacter crescentus呈现从中膜向两极的双向伸长模式，而Asticcacaulis excentricus则表现出向新极的单向伸长特征。时序双标记实验证实，C. crescentus的第一轮FDAA信号分布于中膜两侧，而A. excentricus仅出现在中膜单侧。

A. excentricus从中膜向新极单向伸长
利用小麦胚凝集素(WGA)标记旧极，研究首次证实A. excentricus的PG合成严格朝向新极。这种单向性与其独特的生命周期相关：游动细胞先进行分散伸长，随后柄细胞阶段启动单向中膜伸长。

A. excentricus的B类PG合酶PBP2定位于新PG合成位点
mCherry-PBP2融合蛋白显示，该酶在A. excentricus中形成偏向新极的中膜聚集斑，与FDAA标记位点高度重合。而在C. crescentus中，GFP-PBP2呈弥散分布，表明PBP2的定位演化是伸长模式分化的关键。

PBP2活性对A. excentricus单向中膜伸长至关重要
美西林处理导致A. excentricus在中膜伸长区形成异常凸起，双FDAA标记显示PG合成方向性丧失。Bocillin竞争实验证实美西林特异性抑制PBP2转肽酶活性，说明该酶直接调控伸长方向性。

Caulobacteraceae家族内外多样化的中膜伸长模式
系统比较发现：Caulobacter henricii和Brevundimonas diminuta保持双向伸长；Phenylobacterium conjunctum呈现单向伸长；而A. biprosthecum则演化出极区伸长与单向中膜伸长的复合模式。更令人惊讶的是，远缘物种Rhodobacter capsulatus也表现出类似A. excentricus的单向伸长特征。

这项研究颠覆了"近缘物种共享相似伸长模式"的传统认知，揭示了细菌细胞伸长的惊人可塑性。通过证明PBP2定位变化可驱动伸长模式演化，研究为理解细菌形态多样性提供了分子框架。发现单向伸长在α-变形菌中的广泛分布，暗示该策略可能具有尚未知的适应性优势。这些成果不仅拓展了对细菌基础生物学认识，也为针对细胞壁合成机器的抗生素开发提供了新思路——即需要考虑近缘物种间靶蛋白定位与功能的潜在差异。研究建立的FDAA多色标记与单细胞分析技术体系，为后续探索更多微生物类群的伸长机制奠定了方法学基础。