Nature Communications | 白凡研究組揭示大腸桿菌鞭毛生長新機制
2018年5月14日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物動態(tài)光學(xué)成像中心白凡課題組與臺灣中央大學(xué)羅健榮課題組合作在《Nature Communications》雜志上發(fā)表了題為“Frequent pauses inEscherichia coliflagella elongation revealed by single cell real-time fluorescence imaging”的研究論文。在該文中，研究人員首次實現(xiàn)了對大腸桿菌周生鞭毛生長的實時動態(tài)熒光成像，深入探究鞭毛的組裝過程。該研究發(fā)現(xiàn)，同一長度的大腸桿菌鞭毛，其生長速率會呈現(xiàn)較大差異，而這種差異來自于鞭毛組裝過程中的停滯。通過進一步的實驗和數(shù)學(xué)模型，論文揭示了大腸桿菌胞質(zhì)內(nèi)鞭毛亞基蛋白的供應(yīng)不足會引起鞭毛生長過程中的停滯，這項研究對于理解細菌蛋白的胞外運輸和組裝具有重要意義。
大腸桿菌依靠鞭毛的旋轉(zhuǎn)進行游動，但其鞭毛的生長過程至今尚未研究清楚。過去通過群體測量得到的數(shù)據(jù)認為，大腸桿菌鞭毛的生長速率恒定不變。近年來熒光成像技術(shù)的進步，豐富了對鞭毛生長模式的研究手段。本文中，研究人員在大腸桿菌的鞭毛亞基——FliC蛋白中插入了四個半胱氨酸標(biāo)簽，并運用FlAsH/ReAsH熒光染料對鞭毛進行標(biāo)記，結(jié)合實時熒光顯微成像技術(shù)和結(jié)構(gòu)光照明超分辨成像技術(shù)，探究了大腸桿菌鞭毛生長模式以及同一細菌上多根鞭毛之間生長速率的關(guān)系。
大腸桿菌鞭毛熒光標(biāo)記與超分辨顯微成像
研究人員首先通過雙色/三色熒光標(biāo)記并結(jié)合結(jié)構(gòu)照明超分辨顯微成像技術(shù)，對大腸桿菌鞭毛生長速度進行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在群體水平上大腸桿菌鞭毛的生長速率與鞭毛長度呈現(xiàn)負相關(guān)，并且不同鞭毛在相同長度下的生長速率具有較大差異。在單根鞭毛水平上，研究人員利用實時熒光顯微成像技術(shù)追蹤單根鞭毛的連續(xù)生長過程，并對多組實驗結(jié)果進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)大腸桿菌鞭毛在生長過程中普遍存在生長停滯的現(xiàn)象；同時還發(fā)現(xiàn)，同一細菌上的多根鞭毛，其生長和停滯具有相似節(jié)奏，可能受到細菌胞內(nèi)同一因素影響。通過在細胞內(nèi)過表達鞭毛亞基蛋白FliC，研究者發(fā)現(xiàn)大腸桿菌鞭毛生長過程中的停滯率顯著降低，揭示了細胞內(nèi)FliC供應(yīng)不足是造成大腸桿菌鞭毛生長停滯的重要原因。最后，研究者通過建立數(shù)學(xué)模型將FliC濃度變化對鞭毛生長的影響作了進一步闡明和分析。
大腸桿菌鞭毛生長速率測量
白凡研究員和羅健榮教授為該論文的共同通訊作者。北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2013級博士生趙梓伊、2015級博士生趙軼凡、臺灣中央大學(xué)物理系碩士生莊翔淯為該論文并列第一作者。本研究得到了國家自然科學(xué)基金以及人類前沿科學(xué)計劃(HFSP)的支持。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-04288-4
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