Cell & Science：两篇文章报道酶学研究新成果

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　　Cell & Science：两篇文章报道酶学研究新成果 酶是生物体活细胞产生的具有特殊催化活性和特定空间构象的生物大分子，包括蛋白质及核酸，又称为生物催化剂。这种重要的生物分子一直以来都是科学家们研究的重点之一，近期在《Science》和《Cell》杂志上分别报道了两项重要的成果。第一篇文章中，来自耶鲁大学、伊利诺斯州立大学和霍华德医学研究所的研究人员利用伊利诺斯大学研制的一种跟踪单个RNA或DNA分子解链过程的技术，研究丙型肝炎病毒解链酶的作用。弄清

  生物谷：酶是生物体活细胞产生的具有特殊催化活性和特定空间构象的生物大分子，包括蛋白质及核酸，又称为生物催化剂。这种重要的生物分子一直以来都是科学家们研究的重点之一，近期在Science和Cell杂志上分别报道了两项重要的成果。

  第一篇文章中，来自耶鲁大学、伊利诺斯州立大学和霍华德医学研究所的研究人员利用伊利诺斯大学研制的一种跟踪单个RNA或DNA分子解链过程的技术，研究丙型肝炎病毒解链酶的作用。

  英文原文可参见：http://www.bioon.com/biology/Class18/306966.shtml

  弄清复制的潜在机制并非易事。结构学研究涉及到结晶DNA－蛋白复合体，观察它们作用的方式；生化学家着眼于反应的试剂，使用的能量以及各阶段的时间。这种研究同时测量成千上万个分子的行为，描述反应的全部参与者。

  利用单分子荧光分析技术，研究小组跟踪丙型肝炎病毒解链酶NS3解开双链区有荧光标签的双链DNA分子。（NS3解链酶起初与肝炎病毒单链RNA放松有关，但也能够作用于DNA，说明这种解链酶在感染过程中，可能参与了解开宿主双链DNA的工作。）

  随着双链分离，通过跟踪两个被标记的核苷之间越来越远的距离，研究人员能够测量解链速度。他们发现DNA解链位点是离散跳跃的：三个核苷对（碱基对）在解链之前彼此放松。“好像对弹簧施加张力，”研究人员Taekjip Ha说，“你为弹簧加上小的机械运动，直到DNA-蛋白复合体上聚集了引发三碱基对快速解链所需的足够张力。”

  这种反应是强烈的，需要三磷酸腺苷ATP（细胞能源）。研究结果显示每个解链反应需要消耗三个ATP分子，提示三个“隐藏步骤”每个解开一个碱基对。

  尽管一个ATP所含的能量能够解开10个碱基对，但研究人员对这种高耗能反应并不感到奇怪。“复制过程中，解链酶与聚合酶手挽手，因此解链酶一次作用于一对碱基很合理，”研究小组带头人Sua Myong说，“这非常成体系，一个碱基对移动有助于聚合酶精确拷贝基因，每次拷贝一个碱基。”

  解链酶也要绕过一系列障碍：与复制有关的蛋白和其它辅助因子，这需要额外的能量。他将NS3解链酶对能量的需求比作运载车的运动对能量的需求，发展一种低耗能的发动机是有意义的，因为需要额外的能量完成额外的工作。

   Myong注意到,NS3是病毒基因组中唯一的解链酶，也属于四大解链酶超家族，因此新发现具有普遍意义。

   生物体对其细胞的大小进行精确控制，以确保子细胞获得维持生存或特化为特定细胞所需的遗传材料。对于酵母和细菌等单细胞生命，营养的有效性（nutrient availability）是细胞大小的主要决定因素。动物细胞的大小主要是由一种感觉血糖-依赖的激素胰岛素分子控制的。第二篇文章中，华盛顿大学生物学副教授Petra Levin与其同事最近在枯草杆菌（Bacillus subtilis）中鉴别出一种将营养有效性与菌体大小联系起来的酶的三重奏。

  Levin等在B.subtilis中寻找控制细胞分裂时间和位点的因子。B.subtilis是细菌研究的一种模式系统。通过研究这些简单生物调节分裂的方式，她希望能够更好地了解这些过程在癌细胞中出现差错的原因。

  Levin实验室一开始主要关注的是一种名为FtsZ的蛋白。FtsZ是微管蛋白的前体，在人类细胞分裂中负责分离复制的染色体。细菌中，FtsZ在预期分裂位点处形成一个环，然后募集分裂所需的所有其他成分，为整个分裂过程提供了支架。

  调节FtsZ环形成的因子决定了细胞分裂的时间和位点。“理论上，细胞的分裂不受时间和地点的限制，” Levin实验室研究生Brad Weart说，“细胞必须精确控制这个过程，以便在需要的时间和位点进行分裂。”

  Cell文章报道，Weart等在B.subtilis中鉴别出一种将细胞分裂和细胞大小联系起来的代谢传感器。这种传感器由之前被证实与细胞膜中一种修饰成分的合成有关的三酶途径组成。研究结果提示这种途径在细胞分裂时发挥主要作用，“目前，这是在细菌中鉴别出的唯一一种直接调节细胞大小的途径。”

   一般情况下，生长在营养丰富环境中的细胞的体积比生长在营养贫乏环境中的细胞的体积大。Levin实验室发现，编码这三种酶的基因发生突变导致细胞变小，即便细菌生长在营养丰富的环境中。“基本上，细胞无法通知分裂器暂停下来等待体积达到合适的大小，”Levin说，“似乎它们是生长在极为优良的培养基中，只是它们不知道。”

  进一步研究发现，突变动摇了FtsZ环的形成。细胞中，FtsZ 在未装配状态和装配状态之间存在一种平衡。酶的三重奏通过改变这种平衡调节FtsZ环的形成——当细胞生长在营养丰富环境中时，推动FtsZ向未装配状态运动以拖延细胞的分裂，增加细胞的体积。

  途径中的三种酶对葡萄糖水平都很敏感，因此途径能够很好地将营养信息直接传递到细胞分裂器。营养贫乏时，酶不再抑制FtsZ组装，允许FtsZ环在细胞很小的时候形成，导致子细胞很小。途径中的第三种酶UgtP，与FtsZ相互作用，防止环形成。UgtP在低水平葡萄糖（营养贫乏条件）时变得不稳定，形成无活性的聚合体。

  途径中断会导致染色体分裂出现缺陷。细胞如果太小，则不能有效将其DNA从分裂位点移开，导致子细胞经常得不到足够的遗传材料。根据生长率协调细胞大小，细胞能够维持DNA的正确分配。

  这项工作也是对基因组测序局限性的一个警示。“我们越来越多，越来越频繁低发现代谢酶有不止一种功能，”Levin说，“它们的序列没有提示它们有其它活性，因此需要你深入研究，应用不同的方法对其进行鉴别。”Levin强调，她的研究结果只揭示了细胞大小控制领域的冰山一角，但鉴别ugtP等基因有助于更精确地预测一个细胞的体积。

原始出处：

Cell, Vol 130, 335-347, 27 July 2007

Article

A Metabolic Sensor Governing Cell Size in Bacteria

Richard B. Weart,1 Amy H. Lee,1 An-Chun Chien,1 Daniel P. Haeusser,1 Norbert S. Hill,1 and Petra Anne Levin1,

1 Department of Biology, Washington University, St. Louis, MO 63130, USA


Corresponding author
Petra Anne Levin
plevin@biology.wustl.edu

Summary

Nutrient availability is one of the strongest determinants of cell size. When grown in rich media, single-celled organisms such as yeast and bacteria can be up to twice the size of their slow-growing counterparts. The ability to modulate size in a nutrient-dependent manner requires cells to: (1) detect when they have reached the appropriate mass for a given growth rate and (2) transmit this information to the division apparatus. We report the identification of a metabolic sensor that couples nutritional availability to division in Bacillus subtilis. A key component of this sensor is an effector, UgtP, which localizes to the division site in a nutrient-dependent manner and inhibits assembly of the tubulin-like cell division protein FtsZ. This sensor serves to maintain a constant ratio of FtsZ rings to cell length regardless of growth rate and ensures that cells reach the appropriate mass and complete chromosome segregation prior to cytokinesis.