综述：盘基网柄菌聚集延迟表型的见解

《Cell Biology International》：Insights Into Aggregation-Delayed Phenotype of Dictyostelium discoideum

　　

Dictyostelium discoideum是一种被广泛应用于聚焦不同细胞与发育过程的细胞信号研究的细胞模型。这些细胞独特的生命周期——涉及在营养期和发育期之间的转换——使得Dictyostelium成为该领域研究的可靠模型。在这些阶段之间转换的能力主要取决于营养物质的可用性。具体而言，当食物充足时，Dictyostelium细胞的营养期启动。该阶段的特征是这种生物体呈单细胞形态，能够捕食细菌并通过有丝分裂活跃增殖。然而，当营养物质耗尽时，某些细胞信号被激活，从而刺激发育期的启动，该阶段始于细胞向环磷酸腺苷(cAMP)趋化以形成聚集体。基于先前收集的数据，本文详尽阐述了Dictyostelium中调控聚集的信号。异源三聚体G蛋白信号及其下游效应因子被认为包含在此范式中，因为阻断这些信号会导致聚集缺陷表型。最近，Dictyostelium被用于检测天然产物的作用，其中一些产物引起了聚集阶段的显著延迟。然而，目前尚未获得明确证据来解释为何聚集会延迟或这一现象背后的科学原理。本综述提供了对关键聚集调控因子之外的调节因子的见解，这些因子可能促成Dictyostelium细胞的聚集延迟表型。本综述的讨论将增进对二价阳离子/离子在该表型中重要性的理解。

2 与聚集延迟表型相关的因素

2.1 γ-氨基丁酸(GABA)

γ-氨基丁酸(GABA)是一种存在于原核生物和真核生物中的主要信号分子。在哺乳动物中，GABA和谷氨酸通过调节离子通道的流量在大脑中充当抑制性神经递质。在盘基网柄菌细胞中，GABA在营养期和发育期均有产生。谷氨酸代谢为GABA的过程由胞质谷氨酸脱羧酶(GAD)控制，盘基网柄菌携带两个基因：gadA和gadB。gadA仅在发育后期表达，而gadB在生长阶段和早期发育中表达并发挥作用。在编码GABA_B受体同源物的17个基因中，GrlB在早期发育阶段作为GABA受体，而GrlE在晚期发育阶段作为GABA受体。grlB^?细胞显示出明显的聚集阶段延迟，而野生型(WT)细胞中grlB过表达则严重延迟聚集。GABA的胞外水平受gadB调控；gadB破坏和过表达的细胞均表现出聚集延迟。GABA转氨酶(GabT)的过表达可降低胞外GABA并延迟细胞聚集。这表明胞外GABA水平必须受到高度调控。GABA可能独立于cAMP调控细胞聚集，它以一种依赖于肌醇1,4,5-三磷酸受体样蛋白A(IplA)的方式触发聚集过程中的钙反应。IplA^?细胞也表现出聚集起始的延迟。

2.2 杂合型聚酮合酶SteelyA

聚酮合酶(PKS)是一个复杂的酶家族，参与多种天然产物的生物合成。盘基网柄菌基因组中存在45个PKS基因，其中两个独特的基因stlA和stlB编码杂合型聚酮SteelyA和B。SteelyB的功能与柄细胞分化有关，而SteelyA基因的表达在预聚集阶段达到峰值。其表达对于4-甲基-5-戊基苯-1,3-二醇(MPBD)的形成至关重要，MPBD进而影响cAMP信号基因的表达模式，从而调节细胞聚集。stlA缺失细胞系向cAMP的趋化存在缺陷，并且与野生型AX2细胞相比，其细胞聚集明显延迟约3小时。添加MPBD可加速聚集过程，同时添加cAMP可进一步改善。因此，结论认为MPBD通过合成和/或释放cAMP来调节趋化性细胞聚集。PKS活性的丧失与细胞对钙离子的响应变化有关，但MPBD信号下游对Ca²⁺信号的调控尚待阐明。

2.3 盘基网柄菌Cln3蛋白

青少年神经元蜡样脂褐质沉积症(JNCL)是由cln3基因隐性突变引起的神经退行性疾病。盘基网柄菌Cln3与人CLN3高度匹配，表明其功能可能保守。在盘基网柄菌细胞中，Cln3定位于细胞质，特别是收缩泡(CVs)和内吞系统中。该蛋白在早期发育周期中表达升高。cln3缺陷细胞表现出丘状结构形成的延迟。研究人员发现cAMP波产生和/或细胞的趋化能力无显著差异。虽然cln3^?细胞能形成流，但其比WT细胞形成的流更短，且许多细胞从表面脱落，缺乏典型的极化形状。细胞粘附的改变与cln3缺陷细胞系中细胞粘附分子A(CadA)胞外水平升高和接触位点A(CsaA)胞内水平降低有关。用钙螯合剂EGTA处理cln3^?细胞可改变其聚集表型，表明CLN3网络可能与钙稳态有关。

2.4 Copines

Copines是钙依赖性膜结合蛋白，从简单原生生物到哺乳动物都高度保守。它们具有一对C2结构域和一个C端A结构域。盘基网柄菌拥有六个copine基因(cpnA–cpnF)。cpnA基因在发育期表达并调节细胞聚集。在饥饿期间，cpnA从胞质易位至质膜和液泡。在cpnA缺陷细胞中，可以检测到细胞聚集过程的延迟，并且形成的丘和蛞蝓比WT细胞更大；子实体形成受阻，柄细胞分化有缺陷。降低胞外钙可促进cpnA^?细胞的发育，表明cpnA可能是发育过程中钙依赖性信号通路的调节因子。

2.5 铁稳态

天然抗性相关巨噬细胞蛋白(Nramps)是金属离子转运蛋白家族，也称为溶质载体11(Slc11)家族。盘基网柄菌基因组含有两个nramp基因拷贝，nramp1和nramp2。nramp1在生长期高表达，在发育期表达下降；nramp2在发育周期早期表达达到峰值，并在聚集体形成后下降。Nramp1定位于吞噬溶酶体，在免疫和细菌抗性中起作用；Nramp2定位于收缩泡系统并调节细胞聚集。Nramp2^?细胞在聚集和丘形成阶段表现出两倍于双敲除突变体的延迟，并观察到更大的聚集流。铁稳态由Nramp蛋白调节。盘基网柄菌中有三个编码铁还原酶的基因(fr1A、fr1B和fr1C)。fr1C在早期发育期表达，其敲除导致聚集起始延迟，并产生大的聚集流，类似于Nramp1/Nramp2双敲除突变体。这些数据表明铁稳态可能是聚集的关键调节因子。

2.6 双孔通道蛋白(TPCs)

双孔通道蛋白(TPCs)属于电压门控离子通道超家族，通过调节钙离子(Ca²⁺)水平在细胞信号传导中发挥关键功能。TPCs定位于酸性细胞器，包括溶酶体和内体-溶酶体系统。盘基网柄菌中只有一个编码TPC蛋白的基因(TPC2)，它是哺乳动物TPC2的直系同源物。近期研究表明，tpc2基因破坏导致显著的聚集延迟并产生长的聚集流。cAMP脉冲未能挽救该突变体的表型，表明cAMP的产生和细胞对其的响应可能发生改变。此外，在这些细胞中检测到胞质Ca²⁺减少，以及哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1(mTORC1)活性增加。用雷帕霉素处理tpc2^?细胞可减轻聚集延迟。这些数据表明TPC2通过调节mTORC1活性成为发育周期早期阶段的关键调节因子。