PNAS:揭示類肌動蛋白MreB控制細菌形狀的機制

基於PDB代碼文件1jce構建原核生物蛋白MreB的結構圖，圖片來自維基共享資源。

九重冰(Ice-9)是一種出現在美國著名反戰小說大師庫爾特-馮內古特(Kurt Vonnegut)撰寫的小說《貓的搖籃》(Cat's Cradle)中的虛構物質。它應當是比常見的冰更為穩定的一種水的形態，在45.8 °C時融化。當與低於45.8 °C的液態水接觸時，它作為晶種(seed crystal)發揮作用，導致整個水體像Ice-9那樣快速結晶。在馮內古特的這篇小說裡，只需用Ice-9接觸一下就可使地球上的海洋發生凝固從而造成一場全球性的災難。基於此，Ice-9很吸引人。根據來自哈佛大學和普林斯頓大學的研究人員最近發表的一篇論文，細菌細胞壁中的一個組分MreB也有類似於Ice-9的作用機制。

在這項研究中，研究人員發現細菌細胞壁中的這個組分對細胞的最終形狀有著巨大的影響。想像一下「MreB細胞骨架(MreB cytoskeleton)」是世界上最微小的指揮家，指揮著上千名音樂家(即細菌)演奏交響曲。更加吸引人的是，細菌的一種「左手」手性分子框架("left handed" molecular framework)產生一種「右手」手性分子結構。

細胞骨架(cytoskeleton)是真核細胞中由蛋白質聚合而成的三維的纖維狀網架體系。細胞骨架包括微絲(也稱作肌動蛋白微絲)、微管和中間纖維。細胞骨架在細胞分裂、細胞生長、細胞物質運輸、細胞壁合成等等許多生命活動中都具有非常重要的作用。

調節細胞形狀是生物界中所有生物面臨的一種共同的挑戰。在幾乎所有的細菌中，細胞形狀是由細胞壁的結構決定的。

MreB是在細菌中發現的，是肌動蛋白的同源物，與肌動蛋白存在三維結構相似性和保守的活性位點肽序列。這種蛋白結構保守提示著真核生物中發現的肌動蛋白形成的細胞骨架元件和原核生物中發現的MreB形成的細胞骨架元件有著共同的祖先。已有研究發現MreB蛋白聚合形成類似於肌動蛋白微絲(actin microfilament)的纖維。

原核生物中類肌動蛋白(actin-like protein)，如MreB，參與細胞形狀的維持。所有非球狀的細菌擁有表達類肌動蛋白的基因，如大腸桿菌存在mreB基因。當大腸桿菌MreB蛋白存在缺陷時，該細菌就從杆狀變成球狀。而且，自然球狀的細菌沒有表達MreB的基因。這些類肌動蛋白在細胞膜底下形成引導參與細胞壁生物合成的蛋白運動的螺旋網絡結構。

除了形狀之外，細胞生長必須維持細胞壁的結構完整性。細菌通過建立一種整體有序性的細胞壁網絡，穩健地維持這種完整性。只不過細菌如何利用納米大小的蛋白在微米水平上產生和維持這種有序性仍然是個謎。

在這篇研究中，研究人員證實在大腸桿菌中左手手性的MreB細胞骨架能夠導致細胞壁產生整體性的右手手性排布結構。細胞壁構建材料在MreB指導下局部地插入肽聚糖網絡結構中而且自然有序地形成聚糖鏈(glycan strand)並導致細胞在伸長生長期間左手旋轉。通過比較芽孢桿菌細胞的右手旋轉，這些研究結果支持一種常見的機制：在桿菌中肽聚糖螺旋插入和手性細胞壁有序排列相關聯。這些細胞生長的物理原則與細菌細胞骨架、細胞壁合成的機制以及細胞壁結構的協調性存在聯繫。

這項發現為什麼比較重要呢？因為科學家從中能夠更多地理解細菌是如何自我複製的，這樣，科學家就有更多的機會在它們入侵人類之前將其殺死。(生物谷：towersimper編譯)

Helical insertion of peptidoglycan produces chiral ordering of the bacterial cell wall

Siyuan Wang, Leon Furchtgott, Kerwyn Casey Huang, and Joshua W. Shaevitz

The regulation of cell shape is a common challenge faced by organisms across all biological kingdoms. In nearly all bacteria, cell shape is determined by the architecture of the peptidoglycan cell wall, a macromolecule consisting of glycan strands crosslinked by peptides. In addition to shape, cell growth must also maintain the wall structural integrity to prevent lysis due to large turgor pressures. Robustness can be accomplished by establishing a globally ordered cell-wall network, although how a bacterium generates and maintains peptidoglycan order on the micron scale using nanometer-sized proteins remains a mystery. Here, we demonstrate that left-handed chirality of the MreB cytoskeleton in the rod-shaped bacterium Escherichia coli gives rise to a global, right-handed chiral ordering of the cell wall. Local, MreB-guided insertion of material into the peptidoglycan network naturally orders the glycan strands and causes cells to twist left-handedly during elongational growth. Through comparison with the right-handed twisting of Bacillus subtilis cells, our work supports a common mechanism linking helical insertion and chiral cell-wall ordering in rod-shaped bacteria. These physical principles of cell growth link the molecular structure of the bacterial cytoskeleton, mechanisms of wall synthesis, and the coordination of cell-wall architecture.