藍藻運動及其調控機制概述

宋煒鈺 張連舉 戴國政

(1.濱州學院生物與環境工程學院,濱州 256600;2.華中師范大學生命科學學院,武漢 430079)

藍藻又稱藍細菌,是地球上最早出現的光合放氧生物[1]。人們通常認為真核生物中光合細胞器(如高等植物葉綠體)的起源可能是吞噬性宿主和藍藻內共生的結果[2],深入理解藍藻生命活動過程可為認識真核生物中光合細胞器的發生、調控及功能發揮具有重要的借鑒意義。藍藻與某些原核細菌,如黃色黏球菌(Myxococcus xanthus),銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)類似,具有運動能力,能夠在液體或潮濕固體表面運動[3—6]。藍藻運動可使藍藻選擇更適應自身生長的環境,例如更有利的光照或營養環境,是藍藻長期進化過程中形成的有效環境適應策略。單細胞藍藻和絲狀藍藻都可以發生運動。根據藍藻種類及運動方式的不同可將藍藻運動分為三類[7]:(1)藍藻泳動(Swimming motility),主要指某些海洋單細胞藍藻在水中運動的形式,如聚球藻WH8102(Synechococcussp.WH8102)在水中的運動;(2)藍藻蹭動(Twitching motility),主要指某些單細胞藍藻沿固體表面的運動形式,如集胞藻PCC6803(Synechocystissp.PCC6803,下文簡稱為集胞藻)的趨光運動;(3)藍藻滑動(Gliding motility),主要指某些絲狀藍藻沿固體表面的運動形式,如某些顫藻目(Oscillatoriales)或念珠藻目(Nostocales)藍藻的運動。藍藻運動過程受到精細復雜的調控,需要大量蛋白協同參與完成,研究其調控機理可使我們從根本上理解藍藻運動過程,豐富我們對原核生物積極主動適應外界環境策略的認識,為構建人造微型運動設備提供理論模型。下文對藍藻不同的運動方式及其可能的發生機制分別進行闡述,概括了藍藻運動機制研究所需揭示的幾個主要問題,為相關研究者提供參考。

1 藍藻泳動

1.1 藍藻泳動現象描述

藍藻泳動現象主要發現于生活在熱帶或亞熱帶開闊海洋中的某些聚球藻屬中[8]。Waterbury等[8]首先描述了聚球藻的泳動狀況。發生泳動的聚球藻成球狀或棒狀,直徑0.7—0.9 μm,長度1.25—2.5 μm,其在液體中的泳動速度5—25 μm/s[8]。聚球藻繞其縱軸旋轉并移動,增加液體環境中的黏度可以使其降速或靜止,這些聚球藻可以順時針旋轉也可以逆時針旋轉,但每個細胞只能朝一個方向旋轉,細胞在液體中可以3—5 r/s的速度旋轉[8]。與能夠在潮濕固體表面發生蹭動或滑動的藍藻不同,在液體中泳動的聚球藻不能沿潮濕固體表面運動[8]。

1.2 藍藻泳動相關蛋白及其運動機制解釋模型

各種實驗數據表明發生泳動的聚球藻并不像某些原核生物(如大腸桿菌,Escherichia coli)一樣具有鞭毛,敲除聚球藻WH8102中對某些藍藻(如集胞藻)蹭動具有重要作用的Ⅳ型菌毛合成相關基因同源基因pilT及pilC也不影響其泳動,說明聚球藻泳動不依靠鞭毛或Ⅳ型菌毛,其泳動機制與具有鞭毛或Ⅳ型菌毛的原核生物并不相同[7]。在聚球藻WH8102中,通過轉座子突變及表型篩選實驗,發現一種命名為SwmA(Swimming motility protein A),分子量為130 kD,構成細胞S-layer的糖蛋白對細胞泳動時推力的產生具有重要作用,該蛋白含有多個鈣離子結合結構域及潛在糖基化位點,其編碼基因的敲除會使細胞喪失在液體中移動的能力,但不會影響聚球藻細胞自身的轉動[9,10]。該藻中另外一種分子量為1.12 MD,位于細胞表層并呈點狀分布的蛋白SwmB對聚球藻WH8102的泳動過程也是必需的,SwmA和SwmB都位于細胞表層,SwmB編碼基因突變并不影響SwmA分布[11]。通過轉座子突變實驗還發現聚球藻WH8102基因組上有2個基因簇(synw0087-synw0088及synw0192-synw0195)對該藻泳動是必需的,其中synw0087和synw0195編碼糖基轉移酶,synw0193編碼Ⅰ型分泌系統中的ABC轉運子,synw0194編碼Ⅰ型分泌系統中的膜融合蛋白,這些基因編碼蛋白通過影響SwmA合成或分布進而影響細胞泳動[12]。該藻基因組上還編碼一種細胞骨架類似蛋白,命名為MreB(Membrane-associated rod shape-determining protein B)類似蛋白,該蛋白可能對聚球藻WH8102的泳動過程具有重要作用[7]。而在另外一種發生泳動的聚球藻WH8113(Synechococcussp.WH 8113)中,培養基中鈉離子及鈣離子濃度對該藻的泳動過程至關重要[13,14],表明這2種離子可能與聚球藻泳動時動力供應或泳動相關蛋白功能發揮有關。

關于聚球藻如何在缺少鞭毛等亞細胞結構情況下泳動有一種解釋,即細胞外膜層收縮和擴張產生波動從而使細胞在液體中泳動[15]。該波動過程產生機理有2種模型解釋(圖1):一種是鈣離子去極化過程使細胞表層產生局部膜膨脹并回縮,進而沿膜表層傳播產生波動,從而推動細胞運動(圖1A)[14];另一種是參考黃色黏球菌的單個細胞運動過程[16—18],該模型認為聚球藻細胞內動力蛋白及其他運動相關蛋白組成的蛋白復合體形成跨質膜結構,復合體位于胞內的結構沿著胞內骨架蛋白(如MreB類似蛋白)形成的軌道發生連續閉環運動,并帶動復合體位于周質空間部分使細胞肽聚糖層及外膜產生波動,進而推動細胞運動(圖1B)[16—18]。這2種模型的提出均基于已有的實驗結果,但對這2種模型的驗證均需要更多的實驗證據。另外聚球藻在泳動時發生自身轉動的機制并不清楚。

圖1 海洋聚球藻細胞表層波動產生泳動的模式圖[14,16—18]Fig.1 Models for causing surface waves and swimming of marine Synechococcus cells[14,16—18]

1.3 藍藻泳動意義

發生泳動的聚球藻是從熱帶或亞熱帶開闊大洋中分離獲得[8,19],這些地方光照充足,但營養鹽濃度(尤其生物可利用氮源)含量較低,營養鹽濃度通常是限制自養生物生物量的主要因素[20,21]。在這些區域動物糞便或大型浮游植物殘骸形成富含營養的微斑塊或微聚集體對營養元素循環利用具有重要作用[22]。聚球藻泳動可能使細胞對環境中的不同營養物質濃度作出反應,靠近富含營養的微斑塊或微聚集體,促進自身生長。Willy等[23]在實驗室條件下探究過聚球藻對23種不同化合物是否存在因為濃度不同而形成的趨化運動現象,發現聚球藻細胞對環境中不同濃度的NH4Cl、NaNO3、尿素、甘氨酸和丙氨酸有響應,細胞會向化合物濃度較高的區域泳動,暗示聚球藻細胞在自然環境中會通過泳動獲得更有利的營養環境。Willy等[24]也探究過聚球藻泳動是否受光照影響,發現當快速改變環境中光照強度時,聚球藻細胞泳動速度和方向并未改變,將泳動細胞置于光強成連續梯度變化的環境中時,聚球藻細胞并未產生趨光運動或避光運動現象,說明光照改變對聚球藻細胞泳動過程影響較小。聚球藻泳動能否幫助自己躲避捕食者捕食? Strom等[25]通過對比野生型聚球藻WH8102和swmA、swmB突變株被纖毛蟲,鞭毛蟲,尖尾藻捕食頻率發現泳動對細胞降低被捕食率沒有顯著影響。關于聚球藻泳動對自身的意義需要更多的自然環境下的證據支持。

2 藍藻蹭動

2.1 藍藻蹭動現象描述

藍藻蹭動現象是法國巴斯德研究中心的幾個研究組首次發現的,其中對淡水單細胞藍藻集胞藻蹭動研究尤為細致[26,27]。集胞藻在潮濕固體培養基平板(瓊脂濃度0.4%—0.8%)上會展現出較慢的蹭動速度,通常1—2 μm/min[28]。如果將細胞置于單側光照條件下,細胞就會展現出向光源方向移動的能力,也稱為趨光運動[7,28,29]。在幾種單細胞藍藻中報道過趨光運動現象,其中嗜熱聚球藻(Thermosynechococcus elongatus)在不同光質及光強條件下趨光運動反應不同,例如在低光強條件下[3 μmol photons/(m2·s)],只有紅光區展現出趨光運動現象,而當光強為10 μmol photons/(m2·s)時,藻細胞在530、570、640和680 nm波段均展現出明顯趨光運動[30]。近期Yang等[31]從野外環境中分離到一株聚球藻UTEX3055(Synechococcus elongatusstrain UTEX3055),其基因組序列與聚球藻PCC7942(Synechococcus elongatusPCC7942)相似度達98.5%,也可發生趨光運動。集胞藻在極微弱光照條件下[約0.001 μmol photons/(m2·s)] 就能引發趨光運動,約1 μmol photons/(m2·s)光照強度即達到趨光運動飽和光強[28,32]。由于集胞藻存在不同亞種,Fiedler等[33]探究了來自不同實驗室的4種集胞藻的運動情況,發現有一種野生型集胞藻喪失了運動能力,另外3種野生型藻株在白光和藍光條件下展現出不同的運動情況。在單側白光照射條件下,3種藻株展現出類似的趨光運動性質,但它們在單側藍光照射條件下的趨光運動能力較白光下均受到不同程度的抑制,其中的一種野生藻株在單側藍光照射條件下完全不發生趨光運動[33]。實驗室中模擬自然界較復雜光照條件下集胞藻的趨光運動情況發現,紅光和綠光主要影響集胞藻細胞運動方向,但對細胞運動速度影響不大,而藍光顯著抑制細胞運動。當集胞藻細胞接受不同方向的單側紅光照時,細胞會沿著光照方向矢量和運動,而當同時給予單側綠光和藍光照射時,集胞藻細胞會根據兩種光的強度比實時調整運動方向及生長狀態,說明集胞藻細胞在復雜光環境條件下可以整合光照信號并通過運動作出反應[34]。

關于藍藻蹭動機制的研究主要集中在對集胞藻和聚球藻趨光運動機制的研究,下面著重介紹。

2.2 集胞藻參與趨光運動相關蛋白及其作用機制

根據集胞藻中參與趨光運動過程的蛋白功能劃分,可將它們分為三類:第一類是Ⅳ型菌毛蛋白復合體結構及組裝相關蛋白,它們是蹭動現象發生的結構基礎;第二類參與趨光運動光信號感應及光信號傳遞,感光蛋白通常含有光響應結構域;第三類間接參與蹭動過程調節,這類蛋白并不直接參與到Ⅳ型菌毛蛋白復合體組成及組裝,但會在轉錄或轉錄后水平直接或間接調節Ⅳ型菌毛蛋白復合體形成相關蛋白的表達或修飾,進而影響細胞蹭動,或者通過影響細胞其他生命活動間接影響細胞運動,此類蛋白缺失也會使細胞喪失蹭動能力。

直接參與集胞藻Ⅳ型菌毛蛋白復合體形成蛋白與高等植物葉綠體響應光照發生運動需要葉綠體微絲蛋白參與不同[35],集胞藻發生蹭動的結構基礎與某些革蘭氏陰性菌(如黃色黏球菌)類似,需要Ⅳ型菌毛蛋白復合體參與[29,36]。Ⅳ型菌毛伸展、栓系、收縮是實現蹭動的結構基礎[37—41]。Bhaya等[29]首先發現集胞藻表層有Ⅳ型菌毛類似結構,直徑為6—8 nm,長度為4—5 μm,稱為粗菌毛。后續研究表明粗菌毛即為Ⅳ型菌毛[42]。近期Chen等[43]對集胞藻Ⅳ型菌毛具有的多種生物學功能最新研究進展進行了綜述,此處只關注Ⅳ型菌毛與集胞藻運動的關系。根據對黃色黏球菌、銅綠假單胞菌等其他細菌Ⅳ型菌毛合成必需蛋白序列同源性比對,發現集胞藻中直接參與Ⅳ型菌毛的合成蛋白編碼基因有pilA1(sll1694)、pilA9(slr2015)、pilA10(slr2016)、pilA11(slr2017)、pilB1(slr0063)、pilC(slr0162)、pilD(slr1120)、pilT1(slr0161)、pilM(slr1274)、pilN(slr1275)、pilO(slr1276)和pilQ(slr1277)[42,44]。PilA(Pilus assembly protein A,PilA)是Ⅳ型菌毛構成的基本亞基,集胞藻中有11個PilA 同源蛋白,其中PilA1是集胞藻Ⅳ型菌毛的基本構成亞基[42]。參考其他革蘭氏陰性菌Ⅳ型菌毛合成模式,PilA合成后在運輸至胞外的過程中,其N端帶正電的前導肽被肽酶及甲基化酶PilD切除并甲基化,然后以螺旋狀排列方式裝配到菌毛基部[45—48]。pilA1缺失會使集胞藻表層Ⅳ型菌毛完全消失,同時細胞完全喪失運動能力[42]。PilA2- PilA8氨基酸序列與PilA1有一定同源性,但PilA2- PilA8編碼基因突變并不會影響集胞藻Ⅳ型菌毛合成,也不影響細胞運動[44]。PilA9、PilA10和PilA11被稱為少量菌毛亞基,這些菌毛亞基N端也有前導肽,它們合成后可能被分泌到胞外輔助PilA1形成具有正常功能的Ⅳ型菌毛[49,50]。PilB與PilT為ATP水解酶,它們均可形成六聚體環裝結構,通過水解ATP改變蛋白的構象從而將PilA亞基添加到菌毛上或從菌毛上解離下來,進而實現菌毛的伸長或回縮[38,41,51—56]。集胞藻中PilB的同源蛋白PilB1編碼基因突變會使細胞表層Ⅳ型菌毛消失而喪失運動能力[42],PilT的同源蛋白PilT1編碼基因突變會使細胞表層Ⅳ型菌毛數量顯著增加,但細胞也會喪失運動能力[42],說明在集胞藻中PilB1與PilT1在Ⅳ型菌毛動態合成過程中發揮重要功能。PilC位于質膜上,有利于菌毛往外延伸或往內收縮并起到穩定菌毛的作用[57—59]。PilM與PilN、PilO在質膜上形成復合體,在穩定菌毛動態形成的過程中發揮功能[60,61]。PilM還可與PilC、PilB和PilT發生動態相互作用,而PilN可通過與PilM相互作用調節PilM的互作對象[62]。PilQ在外膜上形成多聚體孔狀結構,使Ⅳ型菌毛延伸至胞外[63,64]。另外,集胞藻中存在一種RNA伴侶蛋白同源蛋白Hfq(Host factor for RNA phage Q beta replication),該蛋白可以與集胞藻中PilB1的C末端發生相互作用,共同作用于Ⅳ型菌毛動態合成過程中[65—67]。集胞藻Ⅳ型菌毛合成組裝參與蛋白及其功能總結如表1所示。圖2中集胞藻Ⅳ型菌毛合成參考其他革蘭氏陰性菌Ⅳ型菌毛合成過程。

表1 集胞藻參與Ⅳ型菌毛合成基因及功能Tab.1 Genes and its functions involved in the synthesis of typeⅣ pili in Synechocystis

Ⅳ型菌毛動態合成模型關于Ⅳ型菌毛在細菌中具體如何伸長或收縮有兩種模型解釋。一種是旋轉模型,即PilC、PilM、PilN和PilO在質膜上形成菌毛合成平臺復合體,復合體面向細胞質部分嵌入PilB或PilT形成的六聚體腔內結構,復合體位于質膜中部分位于動態合成的Ⅳ型菌毛基部。PilB或PilT六聚體結合并水解ATP時,構象改變產生旋轉運動,帶動質膜平臺復合體蛋白及菌毛旋轉,并添加或解離下一個菌毛亞基,使菌毛往外延伸或往內收縮[55,56,68]。另一種是壓縮模型,該模型認為PilC、PilM、PilN和PilO形成的菌毛合成質膜平臺復合體作為控制菌毛亞基添加到菌毛上或從菌毛上解離下來的開關門。當平臺處于開放狀態時,菌毛亞基可以結合到菌毛基部,菌毛基部亞基也可以從菌毛上解離下來;當PilB或PilT六聚體結合并水解ATP時,促使平臺處于關閉狀態,產生的擠壓力使菌毛往外延伸或往內收縮,同時平臺面向另一角度開放,并進行下個循環,但該過程中菌毛本身不會發生旋轉[54,56]。

圖2 集胞藻趨光運動感光信號轉導及Ⅳ型菌毛合成模式圖Fig.2 Photosensing signal transduction pathways in phototaxis and synthesis model of type Ⅳ pili in Synechocystis

參與集胞藻光信號感應及傳導相關蛋白藍藻實現趨光或避光運動的光信號轉導途徑一直是研究者力求解答的問題。近期研究表明球形單細胞藍藻(如集胞藻)感光原理類似透鏡聚光作用,當單側光透過細胞一側后會匯聚于細胞背光側表層并形成明亮光斑,藍藻中感光蛋白(藍藻型光敏色素或其他感光蛋白)感應該處光斑,并可能通過構象改變或與其他信號傳遞蛋白互作將光照信號往下游傳遞,調控Ⅳ型菌毛在細胞表層的合成及分布,可能使背光一側Ⅳ型菌毛合成受阻,向光一側Ⅳ型菌毛合成增強,最終實現趨光運動[69]。而當球形單細胞藍藻表層靠近光源一側接收光強強度大于細胞背光側表層光斑時,藍藻中感光蛋白感應新的光信號并將信號往下游傳遞,使細胞背光側Ⅳ型菌毛合成增強,細胞會發生避光運動[69]。集胞藻基因組上存在一些基因及基因簇在細胞感光并調控趨光運動方面發揮重要作用,下面分別介紹。

集胞藻基因組上存在一個基因簇sll0038-sll0039-sll0040-sll0041-sll0042-sll0043,其中基因命名為pixG(taxP1)-pixH(taxY1)-pixI(taxW1)-pixJ1(taxD1)-pixJ2(taxD’1)-pixL(taxAY1),除pixI(taxW1)外,該基因簇中基因突變會使細胞在單側白光[10 μmol photons/(m2·s)] 照射條件下產生避光運動(向與光源方向相反一側運動),而野生型細胞在相同條件下發生趨光運動[70,71]。該基因簇編碼蛋白與某些具有鞭毛的革蘭氏陰性細菌(例如大腸桿菌)中調控細胞趨化運動信號轉導相關蛋白有相似之處,但也有明顯不同。以大腸桿菌為例,在趨化運動過程中具有MCP(Methyl-accepting chemotaxis protein)-signal和TarH結構域的蛋白通過與配體(化合物或結合化合物的蛋白)結合情況改變自身構象感應外界化學物質濃度變化,通過CheW(Chemotactic W)與具有組氨酸激酶結構域可以自磷酸化的CheA相互作用,促使CheA自磷酸化,CheA可以將磷酸化基團傳遞給CheY,磷酸化的CheY可以與鞭毛動力蛋白相互作用,調節鞭毛轉動方向進而影響細胞運動方向[72]。集胞藻該基因簇中PixJ1(Phototaxis J1)/TaxD1(Chemotaxis-like D1)與PixJ2都含有MCP-signal結構域,該結構域在細菌趨化運動中通過甲基化或去甲基化狀態傳遞外界環境中化學物質濃度變化信號,但氨基酸序列比對發現PixJ1和PixJ2所含MCP-signal結構域中缺少甲基化或去甲基化相關的幾個關鍵氨基酸位點,結合集胞藻突變株表型分析說明含該結構域蛋白在集胞藻趨光運動信號傳遞中同樣發揮重要作用,但具體信號轉導途徑與細菌趨化運動存在差異。PixJ1含有2個跨膜結構域,可能定位于細胞質膜上,這點與大腸桿菌中感應外界化學物質濃度的含MCP-signal和TarH結構域蛋白(例如Tar,Taxis toward aspartate and related amino acids)類似,但PixJ1含有GAF(cGMPspecific phosphodiesterases,Adenylyl cyclases and FhlA,GAF)結構域并可結合發色團,響應藍光和綠光,這與Tar含有TarH結構域結合配體感應外界化學物質濃度不同[73,74]。集胞藻該基因簇中PixI(TaxW1)與CheW同源,pixI(taxW1)突變并不影響集胞藻細胞趨光運動,說明其在集胞藻趨光運動信號傳遞過程中并非必需。PixL(TaxAY1)與CheA同源,PixG(TaxP1)、PixH(TaxY1)與CheY同源,且這3個蛋白編碼基因突變細胞會發生避光運動[70,71],說明這3個蛋白在集胞藻趨光運動信號傳遞中是必需的。PixG(TaxP1)在藍藻中屬于PatA家族蛋白,除含有CheY具有的Response-reg結構域外,還含有PATAN結構域,該結構域的具體功能還不是十分清楚,但近期研究表明含有該結構域的PixE(也屬于PatA家族蛋白,下文詳細介紹)可以與集胞藻Ⅳ型菌毛合成動力蛋白PilB1直接相互作用,調控Ⅳ型菌毛合成及蹭動方向[75],說明集胞藻中PatA家族蛋白在趨光運動中所行使功能類似CheY在大腸桿菌趨化運動中的作用,負責環境信號與動力蛋白的直接關聯。PixJ1(TaxD1)、PixJ2(TaxD′1)、PixL(TaxAY1)、PixG(TaxP1)和PixH(TaxY1)可以在集胞藻中形成感光信號轉導通路,并通過調控Ⅳ型菌毛合成促使細胞發生趨光運動行為。具體信號通路需要進一步研究。

放牧方式對人工草地植被生物量及碳密度的影響……… 徐智超，祁 瑜，梅寶玲，卓 義，王鳳歌，武勝男，鄔嘉華，溫 璐（110）

集胞藻基因組上編碼一個藍光受體蛋白PixD(Phototaxis D,Slr1694),該蛋白含有BLUF(Blue-Light Using FAD)結構域,可以結合FAD(Flavin Adenine Dinucleotide)響應藍光[76,77]。敲除該基因后會使集胞藻在較弱單側光[如5—100 μmol photons/(m2·s)白光,或0.7 μmol photons/(m2·s)紅光,或5 μmol photons/(m2·s)遠紅光、黃光與綠光]照射下產生避光運動,而野生型細胞在相同條件下均發生趨光運動[76,77],說明pixD基因敲除會觸發細胞在較弱單側光照射下產生避光運動的信號轉導。PixD作為藍光受體,其缺失突變株pixD－在單側較弱光照條件下表型與pixJ1－突變株類似,但它與PixJ1在調控細胞趨光運動中的信號轉導機制顯然不同。體內及體外蛋白相互作用實驗結果表明,PixD可與其上游基因編碼蛋白PixE(Phototaxis E,Slr1693)相互作用,且其互作方式受光照條件而發生變化。在黑暗條件下,二者可形成PixD10-PixE5(或PixD10-PixE4)復合體;當接受強光[約997 μmol photons/(m2·s)白光]照射后,該復合體解聚為PixD二聚體及PixE單體,暗示PixD與PixE在不同光照條件下的互作方式在集胞藻趨光或避光運動光信號傳遞中具有重要功能[77—80]。進一步研究發現,在80 μmol photons/(m2·s)單側白光照射下,pixE－單突變株及pixD－E－雙突變株均與野生型藻株發生類似的趨光運動,而該條件下pixD－單突變株發生避光運動;在243 μmol photons/(m2·s)藍光照射條件下野生型集胞藻會發生避光運動,而pixD－E－雙突變株會發生趨光運動,結合PixD與PixE在不同光照條件下的差異互作方式,推測PixE單體數量是細胞在單側光照條件下發生趨光或避光運動的重要影響因素[81]。在單側光照較弱時[如80 μmol photons/(m2·s)單側白光],野生型細胞內PixD與PixE絕大多數以復合體的形式存在,此時PixE無法與Ⅳ型菌毛合成動力蛋白PilB1相互作用[81],細胞內感光蛋白(可能為PixJ1)感應單側光照后通過信號轉導途徑調控細胞表層Ⅳ型菌毛在光照一側合成相對增多,促使細胞發生趨光運動。而在相同條件下,pixD敲除會使突變株細胞內PixE單體含量增加,PixE定位于細胞質膜周圍可以直接與PilB1相互作用,從而調控細胞表層Ⅳ型菌毛在背光一側合成增多,細胞發生避光運動[75,81]。對比較弱單側光照射,在單側較強藍光照射時[如243 μmol photons/(m2·s)],野生型集胞藻內PixD感應藍光后與PixE解聚,PixE單體含量增加會與PilB1相互作用,從而調控細胞表層Ⅳ型菌毛在背光一側合成相對增多,細胞發生避光運動。該較強藍光條件下,pixD－E－雙突變株細胞內感光蛋白(可能為PixJ1)感應光照信號后,通過信號轉導途徑調控細胞表層Ⅳ型菌毛在光照一側合成相對增多,細胞發生趨光運動。近期集胞藻單細胞水平感光實驗結果表明:在單側超強藍光[1200 μmol photons/(m2·s)]照射條件下,野生型集胞藻細胞仍會發生避光運動,而pixD－突變株細胞在該藍光照射條件下隨機蹭動,未展現出運動方向性,說明PixD在集胞藻細胞感應超強藍光發生避光運動過程中具有重要作用[82]。在該條件下,野生型集胞藻細胞發生避光運動的機制可能與在單側較強藍光照射時類似,而pixD突變后為何細胞僅發生隨機蹭動,而不像在單側較弱光照條件下時發生避光運動,產生該現象的機制仍不清楚。綜合上述結果可知,集胞藻應對不同光質與光強而作出的細胞趨光或避光運動的調控方式精細而復雜。通過感受不同光信號實時改變PixD與PixE的互作方式,進而精密調節PixE單體與Ⅳ型菌毛合成動力蛋白PilB1的相互作用,從而調控Ⅳ型菌毛在細胞表層的分布情況,實現細胞在不同條件下的趨光或避光運動。該信號轉導通路組成蛋白與轉導途徑與某些具有鞭毛的革蘭氏陰性細菌調控細胞趨化運動的信號轉導通路顯著不同,是集胞藻為適應外界復雜光環境而形成的新的信號轉導通路。

集胞藻基因組上存在一個基因簇slr1212-slr1213-slr1214在感應UV-A(Ultraviolet A)并調控細胞運動過程中發揮重要作用,該基因簇三個基因分別命名為uirS-uirR-lsiR,其中任何一個基因突變都會使細胞向單側UV-A[25—100 μmol photons/(m2·s)] 照射方向運動(趨光運動),而野生型集胞藻細胞在相同條件下向UV-A照射反方向運動(避光運動)[83]。該信號轉導途徑屬于典型的二元信號轉導途徑,UirS(UV intensity response Sensor)預測含有4個跨膜結構域,推測可能定位于細胞質膜上。其含有GAF結構域,可以結合發色團后感應UVA(或紫光)和綠光[83—85]。UirS 同時含有HisKA和HATPase-c結構域,含有此類結構域的蛋白通?？梢孕纬啥垠w并催化自身組氨酸殘基磷酸化,并將該高能磷酸基團轉移到具有Response-reg結構域的蛋白中。UirR為AraC家族轉錄調控因子,含有Response-reg和HTH(Helix-Turn-Helix)結構域。蛋白相互作用實驗證明UirS可以與UirR(UV intensity response Regulator)發生相互作用[83]。該基因簇中編碼的另外一個蛋白LsiR(Light and stress integrating response Regulator)為PatA家族蛋白,含有Responsereg及PATAN結構域,該家族蛋白PixE已證實可以與集胞藻Ⅳ型菌毛合成動力蛋白PilB1相互作用,調控細胞表層Ⅳ型菌毛合成及趨光運動方向[75],推測LsiR與PixE功能類似。轉錄譜實驗表明在85 μmol photons/(m2·s)單側UV-A照射時,uirS和uirR突變株中lsiR表達量顯著低于野生型,說明lsiR低表達是使突變株在該條件下趨光運動的主要原因[83]。綜合以上實驗結果推測,在16 μmol photons/(m2·s)單側綠光、紅光或＜5 μmol photons/(m2·s)UV-A照射時,UirS可以與UirR在質膜上形成復合體,此時UirR無法結合到該基因簇中的lsiR基因啟動子區,使lsiR無法表達而發揮功能,細胞表現出趨光運動表型。當UirS接收單側較強UV-A[25—100 μmol photons/(m2·s)] 照射后,構象發生改變并發生自磷酸化,UirR會與UirS分離并將磷酸基團轉移至UirR中Response-reg結構域,激活UirR轉錄活性,UirR結合到lsiR啟動子區發揮轉錄激活功能[83],合成LsiR通過與Ⅳ型菌毛合成動力蛋白PilB1相互作用,調控Ⅳ型菌毛在背光側動態合成從而發生避光運動。當然該信號轉導通路中的一些具體細節例如UirS的自磷酸化以及將磷酸基團向UirR的轉移,LsiR與PilB1的相互作用都需要進一步證實。

集胞藻中藍藻型光敏色素Cph2(Cyanobacteria phytochrome like protein2)編碼基因突變后細胞會向單側藍光[0.45—1.3 μmol photons/(m2·s)] 或UVA[10 μmol photons/(m2·s)] 照射方向運動,而野生型細胞在相同條件下靜止不動,說明Cph2在抑制細胞向單側藍光及UV-A方向運動的過程中發揮功能[86,87]。Cph2的N端GAF結構域可結合發色團后響應紅光及遠紅光,C端GAF結構域結合發色團后響應藍光及綠光[88—91]。同時Cph2的C端還含有二鳥苷酸環化酶結構域GGDEF及環化二鳥苷酸磷酸酯酶結構域EAL,這兩個結構域可以分別促進兩個三磷酸鳥苷(GTP,Guanosine triphosphate)環化形成c-di-GMP或環化二鳥苷酸水解形成線性分子5′-pGpG,從而調控胞內環化二鳥苷酸含量[91—93]。實驗表明位于Cph2 C端的GAF和GGDEF結構域可以響應藍光后催化c-di-GMP合成,而胞內c-di-GMP含量增加會抑制細胞運動[91]。Cph2所含EAL結構域可以水解c-di-GMP,降低其濃度[91]。Cph2通過感應光信號調控GGDEF和EAL結構域活性控制胞內c-di-GMP含量進而影響細胞運動[91]。近期研究表明Cph2可以通過調控胞內c-di-GMP濃度影響運動相關基因表達,在5 μmol photons/(m2·s)藍光照射條件下野生型集胞藻中c-di-GMP濃度較5 μmol photons/(m2·s)綠光照射條件下顯著上升,pilA5-pilA6基因表達顯著下降,pilA9-pilA11表達量顯著上升,而cph2突變株在相同條件下胞內c-di-GMP濃度未發生顯著變化,野生型細胞在藍光照射時運動相關基因表達模式的改變如何影響細胞運動仍需深入研究[94]。c-di-GMP含量升高后如何抑制集胞藻細胞運動的機制并不清楚。在大腸桿菌中,YcgR蛋白可以在結合c-di-GMP后與鞭毛動力蛋白相互作用,降低鞭毛運動速率[95,96]。而集胞藻中并不存在YcgR同源蛋白,也未有關于調控運動相關蛋白可以結合c-di-GMP的報道。在霍亂弧菌(Vibrio cholerae)中研究表明MshE(Mannose-sensitive haemagglutinin E)型ATP酶可以與c-di-GMP結合[97],而該蛋白在集胞藻中的同源蛋白即為Ⅳ型菌毛合成動力蛋白PilB1,因此推測c-di-GMP通過與PilB1結合影響PilB1功能及Ⅳ型菌毛合成進而影響集胞藻運動。近期研究表明集胞藻中Slr1143蛋白含GGDEF結構域并可催化c-di-GMP合成,該結構域可與Cph2的C端GGDEF及EAL結構域發生相互作用,slr1143突變后細胞可在較強[40 μmol photons/(m2·s)] 紅光(640 nm)條件下發生趨光運動,而該實驗所用野生型集胞藻株在相同條件下不會發生趨光運動[98]。Slr1143的C端含有GAF結構域,其是否可以結合發色團響應紅光并不清楚,其在單側強紅光照射條件下抑制細胞運動的機制需要進一步探究。

綜上所述,集胞藻感應光照信號后通過多種信號轉導途徑將信號往下傳遞,并最終調控Ⅳ型菌毛合成與分布進而控制細胞運動或靜止(如通過Cph2控制胞內c-di-GMP含量調控)或產生趨光或避光運動(如通過PatA家族蛋白PixE、PixG、LsiR與Ⅳ型菌毛合成動力蛋白PilB1相互作用調控)。已報道光信號轉導通路最終都是通過調控Ⅳ型菌毛合成蛋白PilB1實現對集胞藻蹭動調控,研究表明PilB1在集胞藻運動過程中定位于運動方向一側的細胞前端,說明PilB1在細胞內的定位對細胞完成趨光或避光運動行為具有重要作用[99]。而調控Ⅳ型菌毛合成的另外一個動力蛋白PilT1是否參與到信號轉導途徑中需要進一步研究。集胞藻中還存在一個PilT1同源蛋白PilT2,PilT2編碼基因突變后細胞在單側白光照射條件下會產生避光運動[42],而PilT2本身不含感光結構域,其影響細胞趨光運動的機制也需要進一步揭示。集胞藻參與趨光運動感光與信號轉導基因及功能在表2中列出。

表2 集胞藻參與趨光運動感光與信號轉導基因及功能Tab.2 Genes involved in light sensing and signal transduction of phototaxis in Synechocystis

其他調控集胞藻運動相關蛋白集胞藻中還存在一些蛋白在細胞運動中起到重要作用,這些蛋白并不直接參與Ⅳ型菌毛的組成或者裝配過程,但這些蛋白可以在轉錄或轉錄后水平上調控直接參與Ⅳ型菌毛的組成或者裝配蛋白的表達及功能,或者參與到影響細胞運動的其他過程。這些蛋白編碼基因的突變均會使集胞藻細胞喪失運動能力。

Sigma因子Bhaya等[29]報道集胞藻中SigF(Sigma factor F,SigF)對細胞運動是必需的,sigF突變株中Ⅳ型菌毛組成亞基PilA1編碼基因表達量顯著降低,細胞表層Ⅳ型菌毛消失,細胞喪失運動能力。

信號轉導蛋白集胞藻基因組上存在一個操縱子slr1041-slr1042-slr1043-slr1044,分別命名為pilG-pilH-pilI-pilJ。該操縱子中相關基因突變會影響細胞表層Ⅳ型菌毛合成進而影響細胞運動[106]。其中pilG突變會使細胞運動能力減弱,pilH、pilI和pilJ突變會使細胞喪失運動能力,pilH突變會使細胞表層Ⅳ型菌毛增多,pilI和pilJ突變會使細胞表層Ⅳ型菌毛顯著減少[106]。PilG屬于CheY類似蛋白,并且屬于PatA家族蛋白,PilH屬于CheY類似蛋白,PilI屬于CheW類似蛋白,PilJ為含有MCP結構域蛋白,該操縱子編碼蛋白種類與pixJ2所在操縱子類似,但缺少直接感光蛋白,其調控集胞藻運動機制需要進一步研究。另外,依據蛋白序列同源性比對,集胞藻中PilL同源蛋白由兩個獨立開放閱讀框編碼,分別是pilL-N(slr0073)和pilL-C(slr0322)。pilLN基因突變會使細胞表層Ⅳ型菌毛增多,細胞運動能力喪失[106]。pilL-C基因突變會使細胞表層Ⅳ型菌毛幾乎消失,細胞運動能力喪失[106]。PilL-N含有Hpt(Histidine-containing phosphotransfer)結構域,該結構域在二元信號轉導過程中磷酸基團轉移過程中發揮重要作用。PilL-N含有H-kinase_dim,HATPase_c及Response-reg結構域,這些結構域在二元信號轉導過程中組氨酸激酶二聚化,自磷酸化及磷酸基團轉移等方面具有重要功能。這兩個蛋白具體怎樣影響集胞藻中Ⅳ型菌毛合成并影響細胞運動需要進一步探究。

分子伴侶、ABC轉運子、絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶和未知功能蛋白。Bhaya等[107]利用轉座子隨機插入突變方式在集胞藻中篩選到很多喪失運動能力基因突變株,這些基因包括sll0058、sll0415、sll0564、sll0565、sll1575,slr1301、slr1964、sll0183和sll0301。其他研究組也有關于基因突變導致集胞藻細胞喪失運動能力的報道,例如sll1384和slr1443[108,109]。這些基因分別編碼不同類型蛋白。Sll0058屬于分子伴侶蛋白Hsp70( Heat shock protein family 70)家族,Sll1384屬于分子伴侶蛋白Hsp40( Heat shock protein family 40)家族,這兩個蛋白可能發生相互作用并共同影響細胞運動相關過程。Sll0415屬于ABC(ATP Binding Cassette)轉運子,在集胞藻中可能參與轉運影響運動相關蛋白。Sll1575(SpkA,Serine/threonine protein kinase A)和Slr1443(SpkE,Serine/threonine protein kinase E)屬于真核生物絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶類似蛋白,sll1575突變會使胞內少量菌毛亞基編碼基因操縱子pilA9-pilA10-pilA11轉錄水平顯著下調,進而影響細胞運動[110,111]。slr1443突變會使成熟PilA1的數量減少,表明Slr1443可能在翻譯后水平影響Ⅳ型菌毛亞基合成進而影響細胞運動[108]。Sll0564屬于泛醌甲基轉移酶類似蛋白。Sll0565編碼基因在基因組上位于Sll0564編碼基因下游,Sll0565富含谷氨酸和谷氨酰胺。Slr1301也富含谷氨酸和谷氨酰胺,并可以形成螺旋線圈結構。Slr1964富含谷氨酰胺。Sll0183和Sll0301含有五肽重復結構域。這些蛋白多數屬于功能未知蛋白,含有一些未知功能結構域,其影響細胞運動的具體機制需要進一步研究。

2.3 聚球藻參與趨光運動相關蛋白及其作用機制

聚球藻趨光運動機制研究較集胞藻少,Yang等[31]從野外環境中分離到一株聚球藻UTEX3055并對其趨光運動機制進行了深入研究。聚球藻UTEX3055基因組測序與聚球藻PCC7942相似度達98.5%,但與聚球藻PCC7942不能發生運動不同,該種藻可以發生趨光運動[31]。該藻基因組上一個由六個基因構成的基因簇UTEX3055_0945-0950,對該藻的趨光運動具有重要作用[31]。該基因簇與集胞藻中sll0038-sll0043基因簇類似,所編碼蛋白為參與某些細菌趨化運動過程同源蛋白,其中UTEX3055_0945-0946編碼CheY類似蛋白,UTEX3055_0947、UTEX3055_0950編碼CheW類似蛋白,UTEX3055_0948編碼含有MCP及GAF等結構域蛋白,UTEX3055_0949編碼CheA類似蛋白[31]。UTEX3055_0945-0946突變細胞喪失趨光運動能力,在50 μmol photons/(m2·s)單側白光照射條件下細胞并未向光源方向移動,野生型細胞在相同條件下展現出趨光運動表型[31]。與集胞藻sll0038-sll0043基因簇中相關基因突變后表型不同,UTEX3055_0945-0946突變細胞并未展現出避光運動表型[31]。UTEX3055_0947,UTEX3055_0950突變并未影響細胞趨光運動能力[31]。UTEX3055_0948與UTEX3055_0949突變后細胞在50 μmol photons/(m2·s)單側白光照射條件下喪失趨光運動能力,但未表現出避光運動表型[31]。UTEX3055_0948編碼蛋白與集胞藻中PixJ1/TaxD1類似但并不相同,UTEX3055_0948編碼蛋白N端含有5個GAF(編號GAF1-5)結構域,且都包含在發色團結合及感光方面發揮重要作用的兩個半胱氨酸殘基[31]。體外表達GAF2發現其可以結合發色團響應藍光和綠光[31]。通過組合敲除不同GAF結構域發現,同時敲除5個GAF結構域細胞與UTEX3055_0948突變表型一致,細胞在50 μmol photons/(m2·s)單側白光照射條件下不會發生趨光或避光運動,單獨敲除GAF4或同時敲除GAF4及GAF5細胞在單側白光照射條件下發生避光運動,同時敲除GAF1-3或GAF2-4或GAF1-4或GAF1-3,GAF5細胞在單側白光照射條件下表現出與野生型類似的趨光運動現象,暗示聚球藻UTEX3055通過調控UTEX3055_0948編碼蛋白中不同GAF結構域的功能調節細胞發生趨光或避光運動[31],與集胞藻通過多條信號轉導途徑調節細胞發生趨光或避光運動相比,該調節途徑相對簡單。聚球藻UTEX3055中是否存在其他調控細胞趨光運動的信號轉導途徑需要進一步探究。聚球藻UTEX3055細胞呈棒狀,但其感光機制可能與呈球狀的集胞藻類似,單側光線從一側射入經細胞類似透鏡匯聚后落于細胞背光側[31],聚球藻UTEX3055細胞內感光蛋白(如UTEX3055_0948編碼蛋白)感應光照信號并通過信號轉導途徑調控細胞發生趨光或避光運動。

2.4 藍藻蹭動意義

藍藻借助Ⅳ型菌毛伸縮沿固體表面發生蹭動響應外界環境變化并作出反應是長期進化形成的積極適應環境變化的有效策略。藍藻作為自養型光合放氧生物,對外界環境中光照及無機營養鹽需求較高,淡水單細胞藍藻生存環境較開放海洋中聚球藻更為復雜多變,因此其通過蹭動尋求更為有利的光照或營養環境對實現自身更好地生長尤為重要。對單細胞藍藻趨光運動調控機制研究較為清晰,單細胞藍藻類似透鏡感應光照方向并通過自身感光蛋白感應光照信號,通過一系列信號轉導途徑調控細胞表層Ⅳ型菌毛合成及分布,進而實現細胞趨光或避光運動,體現了單細胞藍藻響應光照并作出反應的精細調控過程。目前對藍藻蹭動研究主要基于實驗室數據,并且多數為對單側光照響應(趨光或避光運動),藍藻是否像某些細菌(如大腸桿菌)一樣響應化學物質濃度存在趨化運動(利用Ⅳ型菌毛)反應需要進一步研究。在集胞藻中UirS除可以感應光信號外,還可以與乙烯結合,因此該蛋白又命名為SynEtr1(SynechocystisEthylene Response1),SynEtr1結合乙烯的結構域為位于N端的3個跨膜結構域,SynEtr1結合乙烯后可以促進細胞向單側光照方向移動[112],說明集胞藻可以響應化學物質濃度影響趨光運動,但集胞藻能否響應環境中不同濃度乙烯并通過運動作出反應并不清楚。另外,在自然環境中對單細胞藍藻能否通過蹭動有效改善自身生存環境,促進自身生長也需要實驗數據揭示。

3 藍藻滑動

3.1 絲狀藍藻滑動現象描述

藍藻滑動通常指某些絲狀藍藻沿固體表面滑動的運動形式,如某些顫藻目或念珠藻目中的絲狀藍藻沿固體表面滑動。這些絲狀藍藻在各個時期都會滑動,并且其滑動時不會借助鞭毛或Ⅳ型菌毛,藻絲一般在光滑表面上沿著絲狀藍藻長軸方向運行,速率通常不超過11 μm/s[4,113]。顫藻目和念珠藻目中的絲狀藍藻滑動形式并不完全一樣,顫藻科中某些藍藻如顫藻屬(Oscillatoria)、席藻屬(Phormidium)和鞘絲藻屬(Lyngbya)中的某些種類,藻絲滑動的同時會發生沿藻絲長軸方向的旋轉運動,旋轉運動方向與藻種類有關,有些順時針旋轉,如Phormidium uncinatum,有些逆時針旋轉如Oscillatoria princeps[114]。而念珠藻科某些藍藻如魚腥藻屬(Anabaena)中的某些種類藻絲滑動時并不旋轉,而可以橫向或側向運動,也可沿著底物表層按U型滑動[115]。絲狀藍藻在未受到外界環境刺激時,可以沿某個方向運動5—8min,然后轉換方向運動[3,113]。藍藻滑動時通常伴隨著黏液分泌,覆蓋絲狀藍藻整個表層,并且會在藍藻沿表層運動后留下印記[113,116]。

3.2 絲狀藍藻滑動相關蛋白及作用機制

目前關于絲狀藍藻滑動現象產生機制有兩種模型解釋。一種是表層波動模型(圖3),該模型提出基于的實驗證據是顫藻屬(Oscillatoria),鞘絲藻屬(Lyngbya),席藻屬(Phormidium)中某些種類藻外膜上存在呈螺旋狀排列的纖維絲,這些纖維絲在不同藻中的直徑不盡相同(5—30 nm),所處位置也不完全一樣。有些位于肽聚糖層與外膜層之間,例如Oscillatoria animalis,Oscillatoriastrain A2,有些位于外膜外層S-layer上,例如Phormidium uncinatum。這些纖維絲收縮會在表層產生波動力,進而使細胞沿著底物接觸面滑動[114,117—119]。席藻(Phormidium uncinatum)中纖維絲的組成成分已得以鑒定,其表層纖維絲由一種稱為振蕩蛋白的糖蛋白構成,該蛋白含有鈣離子結合位點,由646個氨基酸殘基組成,該蛋白以螺旋狀排列方式定位于S-layer上[120]。表層波動模型中纖維絲收縮時的動力來源并不清楚,有些種類纖維絲位于外膜外層S-layer上,很難與提供質子動力或鈉動力的細胞質膜產生關聯。另外對于只沿藻絲長軸方向滑動而不發生自身轉動的藻類其藻絲表層并不存在螺旋排列纖維,這些藻類的滑動機理無法用該模型解釋。另外一種解釋絲狀藍藻滑動機制的模型是黏液噴出模型(圖4),該模型基于的實驗依據是一些絲狀藍藻細胞連接處存在一些孔狀結構,這些孔狀結構按一定角度呈環形排列于細胞間隔膜處,穿過細胞膜,肽聚糖層及外膜[116]。研究者推測黏液就是由這些孔狀結構噴出,位于同一側的孔狀結構可以同時噴出黏液并產生推動力推動藻絲表層沿著底物表層向前滑動,方向改變時位于另一側的孔狀結構同時噴出黏液使藻絲沿著底物表層向反方向運動[116]。由于某些種類藻絲表層存在螺旋狀排列的纖維絲,所以所噴出黏液可以沿螺旋狀纖維絲流動,使藻絲產生向前推動力的同時產生與藻絲長軸方向垂直的側向力,使藻絲發生旋轉運動,旋轉運動方向與纖維絲排列方向有關[116]。黏液噴出提供動力使藍藻滑動的機制應該與黃色黏球菌有相似之處。Wolgemuth等[121]認為黏液在細胞質膜處以脫水形式形成類似聚電解質凝膠,然后進入孔狀結構,當從孔狀結構分泌到胞外時,驟然吸水膨脹進而產生推力。黏液噴出模型中缺少黏液從孔狀復合體噴出的直接證據,另外位于同一側的孔狀復合體如何協同作用噴出黏液并不清楚。對這2種模型的驗證均需要更多的實驗證據。

圖3 解釋絲狀藍藻滑動的表層波動模型模式圖Fig.3 A model diagram to display surface waves producing by sliding filamentous cyanobacteria cells

3.3 藻殖段滑動現象描述

藻殖段(Hormogonia)是某些絲狀藍藻在特定時期由長藻絲分化形成的短絲狀體[122]。念珠藻目(Nostocales)和真枝藻目(Stigonematales)中某些屬內的絲狀藍藻,如念珠藻屬(Nostoc),側生藻屬(Fischerella)均可在特定環境下產生藻殖段。以點狀念珠藻(Nostoc punctiforme)為例,長絲狀營養藻絲并不能運動,但當外界環境變化時,長絲狀營養藻絲片段化并分化產生的藻殖段可以運動,這與上文描述的顫藻屬魚腥藻屬藻絲一直處于運動狀態不同[123]。藻殖段運動發生在特定時期,通常是分化形成的前48—72h,而后停止運動分化產生異形胞并形成長絲狀營養藻絲[123]。藻殖段滑動速度在0.5—3 μm/s,運動有時會伴隨沿藻絲長軸方向的轉動,藻殖段滑動過后也會留下黏液痕跡[124—126]。

圖4 解釋絲狀藍藻滑動的黏液噴出模型模式圖Fig.4 The slime extrusion model diagram for gliding in filamentous cyanobacteria

3.4 藻殖段滑動相關蛋白及作用機制

Robinson等[126]報道真枝藻目中的層理鞭枝藻(Mastigocladus laminosus)所形成藻殖段可能利用細胞連接處呈環形排列的孔狀結構噴出黏液提供動力使其滑動,這類似于解釋一直處于滑動狀態的顫藻目和念珠藻目中某些藻類動力提供機制的黏液噴出模型。但該種藻所形成藻殖段細胞連接處的孔狀結構與顫藻目中某些絲狀藻類的孔狀復合體是否為同一類結構并不清楚,并且孔狀復合體具體組成成分及形成機制需要提供更多實驗證據。

某些念珠藻目藍藻如Calothrixsp PCC 7601及點狀念珠藻在藻殖段形成時,細胞表層會形成Ⅳ型菌毛類似結構[125,127],暗示這些藻類藻殖段滑動可能與Ⅳ型菌毛有關?？蛇M行遺傳操作的點狀念珠藻是探索藻殖段滑動機制的良好材料。點狀念珠藻基因組中存在15種與Ⅳ型菌毛合成相關蛋白的編碼基因,這些基因多數在點狀念珠藻產生藻殖段時顯著上調表達[125,128]。當插入失活pilA、pilB、pilT1和pilQ同源基因時藻殖段會喪失運動能力[125,128],這說明藻殖段運動需要Ⅳ型菌毛參與。點狀念珠藻藻殖段細胞內Ⅳ型菌毛組成亞基PilA呈環狀定位于發生滑動藻殖段細胞的細胞連接處,并且藻殖段內每個細胞連接處的PilA通常定位于藻殖段同一側,暗示藻殖段滑動時位于細胞連接處同一側的Ⅳ型菌毛會協同作用[128]。

點狀念珠藻藻殖段運動及分化過程聯系緊密,受相關基因嚴格調控,通常影響點狀念珠藻藻殖段運動的基因對其分化過程也會產生影響。除上述Ⅳ型菌毛同源基因外,點狀念珠藻基因組上有兩個基因簇與藻殖段運動及分化有關。一個是有5個基因組成的hmp(Hormogonia motility and polysaccharide)基因簇,編碼趨化運動信號轉導相關蛋白的同源蛋白,其中HmpA和HmpB為CheY類似蛋白,HmpC為CheW類似蛋白,HmpD為含有MCP結構域蛋白,HmpE為CheA類似蛋白,突變株表型檢測表明,除HmpA外,HmpB-E對藻殖段運動及分化是必需的[129—130]。這些基因編碼蛋白定位于藻殖段細胞連接處,并呈環裝排列,可能參與調控Ⅳ型菌毛的合成[130]。另外一個基因簇為hps(Hormogonia polysaccharide secretion system)基因簇,編碼糖基轉移蛋白和少量菌毛亞基同源蛋白[128]。該基因簇中hpsA-G對藻殖段運動都是必需的,hpsB-D編碼少量菌毛亞基同源蛋白,可能輔助Ⅳ型菌毛組成亞基PilA組裝并發揮功能[128]。當在hpsE-G糖基轉移酶編碼基因突變株培養環境中添加培養過野生型點狀念珠藻藻殖段培養基時,其運動能力可得以恢復,暗示藻殖段分泌多糖可以促進藻殖段運動,而不是為藻殖段運動提供動力[128]。另外點狀念珠藻基因組上編碼的獨立開放閱讀框hpsH,該基因編碼蛋白與HpsB-D具有同源性,也可能輔助Ⅳ型菌毛組成亞基PilA組裝并發揮功能,但hpsH突變藻殖段仍然可以運動[128]。

近期研究表明還有一些蛋白對點狀念珠藻藻殖段運動或分化有重要作用,例如HmpF、HmpU、HmpV、HmpW、OGTA(O-linked-β-N-acetylglucosamine transferase A)、SigC、SigF和SigJ[131—134]。點狀念珠藻藻殖段中HmpF與菌毛組成亞基PilA具有類似的定位方式,均定位于藻細胞的一端,hmpF突變株運動能力完全喪失,且突變株中胞外PilA含量顯著下降,說明HmpF對點狀念珠藻藻殖段Ⅳ型菌毛正常定位及功能發揮具有重要作用[131]。hmpU和hmpV突變株藻殖段運動受到抑制,菌毛組成亞基PilA在胞外的積累減少;hmpW突變株藻殖段運動能力增強;hmpV突變后pilB、hmpF和hpsE等與藻殖段運動相關基因表達量顯著下調;HmpW與HmpV可以發生相互作用,HmpU與HmpW分別含有絲氨酸磷酸酶結構域和絲氨酸激酶結構域,它們可能通過調控HmpV的磷酸化狀態從而影響下游與藻殖段運動相關基因表達或蛋白定位,進而影響藻殖段運動[132]。OGTA是點狀念珠藻乙酰氨基葡萄糖轉移酶類似蛋白,該蛋白編碼基因突變會在轉錄后水平影響點狀念珠藻藻殖段菌毛組成亞基PilA積累,進而影響藻殖段運動[133]。點狀念珠藻中SigC、SigF和SigJ編碼基因突變均會使藻殖段完全喪失運動能力,sigC突變株中胞外菌毛組成亞基PilA積累量顯著下降,sigF和sigJ突變株中胞內外菌毛組成亞基PilA含量均顯著下降;SigJ可增強大多數藻殖段發育過程中特異性表達基因(包括Ⅳ型菌毛合成相關基因等)的轉錄表達,SigC主要影響細胞分裂相關基因表達,SigF主要調控菌毛組成亞基編碼基因pilA的轉錄水平,這些蛋白通過在轉錄水平直接或間接影響藻殖段運動或分化相關基因表達進而影響藻殖段運動或分化[134]。

Khayatan等[128]對藻殖段運動機制提出了一種模型解釋(圖5),認為藻殖段細胞連接處的孔狀結構由Ⅳ型菌毛合成及多糖分泌蛋白復合體構成,藻殖段運動可能依靠定位于藻殖段細胞間連接孔復合體的Ⅳ型菌毛延長與收縮提供動力,而菌毛與介質表層的黏附需要借助分泌至胞外的多糖實現。藻殖段細胞如何協同調控位于藻殖段細胞間連接孔復合體的Ⅳ型菌毛組裝過程,從而實現整個藻殖段的運動需要進一步研究。藻殖段滑動形式與絲狀藍藻相似,而其滑動時借助Ⅳ型菌毛與集胞藻蹭動類似,說明藻殖段滑動是一種相對特殊的運動形式。

3.5 絲狀藍藻滑動意義

絲狀藍藻滑動較單細胞藍藻泳動或蹭動形式及調控機制更為復雜,涉及多個細胞協同作用。絲狀藍藻滑動是較復雜藍藻對外部環境變化產生反應并積極適應外界環境的體現,通過滑動可以響應外部環境中化學物質濃度和光照強度。研究表明Oscillatoriasp.可以在光照條件下產生向較高濃度二氧化碳、碳酸氫鹽及氧氣環境滑動的表型[135],Oscillatoria terebriformis滑動則受到環境中果糖及硫化物濃度升高的抑制[136,137],說明這些絲狀藍藻可以感應環境中物質濃度并作出反應。絲狀藍藻滑動通常受外部光照環境影響,Phonnidium uncinatum藻絲在變光環境下,無論光照突然增強或減弱,藻絲都會改變原來的滑動方向,光信號的感應可能與跨類囊體膜的質子梯度有關,鈣離子在信號感應中也具有重要作用,但具體機制還不清楚[138]。Anabaena variabilis藻絲在弱光條件下發生趨光運動,在強光條件下發生避光運動,該反應與單細胞藻類如集胞藻光反應類似,但其光信號感應機制并不清楚[139]。這種對不同光照強度的感應及相應滑動方向的調整可以使藻絲在自然界中選擇具有合適光照強度的區域生長,避免光照過強或過弱影響藻絲生長。自然界中很多絲狀藍藻生活在一些處于極端環境例如熱泉、高鹽沙漠湖泊微生物墊的上層,具有滑動能力能使其在微生物墊中平行或垂直移動,從而在這樣的微環境中尋求最利于自身生長的光照或營養鹽環境,例如,在墨西哥Guerrero Negro[140]發現的高鹽底棲微生物墊,其中的絲狀藍藻Oscillatoriasp.和Spirulinasubsalsa在白天光照較強時會遷移至微生物墊下層而在黃昏光照較弱時又遷移回表層;而在法國Salins-de-Giraud[141]發現的高鹽微生物墊中的絲狀藍藻Microcoleus chthonoplastes白天聚集并遷移至微生物墊上層,而夜晚會均勻散開;生活在美國休倫湖沉水坑主要由顫藻目絲狀藍藻形成的微生物墊中,藻絲展現出較為明顯趨光運動現象,并且遷移至光區的絲狀藍藻光合作用產量較停留在暗區的絲狀藍藻高[142]。這些生活在不同環境中的絲狀藍藻感應外界環境變化,并通過滑動改變自身位置獲得利于自身的生長條件。

藻殖段作為某些絲狀藍藻營養藻絲響應外界營養鹽濃度、光照等條件后形成的短絲狀體,其滑動行為對藍藻在環境中的快速傳播及與植物形成共生體具有重要作用[143]。有研究表明藻殖段對植物分泌物具有類似趨化運動的行為[143],且藻殖段存在明顯的趨光運動現象[144],說明藻殖段可以有效感知外界環境信號并通過滑動做出響應。點狀念珠藻藻殖段可在單側白光照射條件下發生趨光運動,其基因組上編碼趨化運動信號轉導同源蛋白的基因簇npF2161-npF2168與藻殖段趨光運動有關,其中NpF2164和NpF2165是藻殖段趨光運動所必需的[142]。NpF2164含有MCP結構域及7個GAF結構域,靠近C端的第7個GAF可以結合發色團感應橙光和綠光[145],該蛋白可能感應外界光照并將信號往下游傳遞最終實現藻殖段趨光運動。該藻基因組上還存在其他編碼趨化運動信號轉導同源蛋白的基因簇,這些基因簇是否調控藻殖段趨化運動需要進一步研究。以藻殖段滑動為基礎的趨化運動及趨光運動行為對其適應外界多變環境具有重要作用。

圖5 絲狀藍藻藻殖段滑動模式圖Fig.5 A model of the hormogonium gliding motility in filamentous cyanobacteria

4 展望

從19世紀早期發現藍藻運動現象至今,關于藍藻運動及其調控機制研究已取得很大進展。參考其他細菌運動調控機制,以集胞藻為實驗材料對藍藻蹭動中的趨光運動機制研究最為深入,關于藍藻泳動及滑動,研究者也提出了可能的作用機制模型。圍繞藍藻運動研究,仍有許多問題需要研究者解答,主要包括:(1)藍藻蹭動現象中關于集胞藻的趨光運動信號轉導過程相對清晰,但仍有很多細節問題需要解答,例如集胞藻中感光蛋白感應外界光信號后將信號傳遞下去,通過CheY類似PatA家族蛋白(含PATAN結構域)與Ⅳ型菌毛合成動力蛋白PilB1相互作用影響Ⅳ型菌毛合成與分布,該相互作用過程如何具體影響Ⅳ型菌毛合成? PatA家族蛋白與PilB1相互作用是促進Ⅳ型菌毛合成還是抑制Ⅳ型菌毛合成? 集胞藻中PatA家族蛋白有六個,均含有Response-reg和PATAN結構域,已報道實驗數據表明該家族中PixE可以與PilB1相互作用,另外五個是否都與PilB1相互作用? 該家族中PixE與LsiR對細胞在單側光照下的避光運動至關重要,而PixG對細胞單側光照下的趨光運動至關重要,如果它們都通過與PilB1相互作用調控Ⅳ型菌毛合成與分布進而實現集胞藻趨光或避光運動,它們如何協調該過程?(2)信號分子環化腺苷酸(cAMP)及環化二鳥苷酸(c-di-GMP)在調控集胞藻蹭動中具體功能及作用機制是什么? cAMP是否只是通過與CRP類轉錄調控因子結合影響Ⅳ型菌毛合成相關蛋白編碼基因轉錄水平影響集胞藻蹭動? c-di-GMP是否直接通過與PilB1或PilT1的結合影響集胞藻蹭動?(3)集胞藻中使運動能力喪失的各突變基因所編碼蛋白在細胞運動過程中的具體功能是什么?(4)海洋聚球藻泳動不借助鞭毛或Ⅳ型菌毛,其動力究竟如何產生? 實驗數據表明培養基中鈉離子和鈣離子濃度對海洋聚球藻泳動至關重要,鈉動力和鈣離子去極化如何協同產生推力需要進一步研究。SwmA和SwmB等泳動必需蛋白在泳動過程中的具體功能需要進一步揭示。兩種關于促使海洋聚球藻泳動的波動機理解釋模型需要尋找更多實驗證據支持。(5)絲狀藍藻滑動過程中的動力如何產生? 關于絲狀藍藻滑動動力產生機制的兩種模型解釋需要提供更多實驗證據。(6)藻殖段滑動與單細胞藍藻蹭動均需要Ⅳ型菌毛參與,但二者運動形式以及參與調控Ⅳ型菌毛合成的蛋白并不完全相同,藻殖段中各細胞如何調控Ⅳ型菌毛合成過程進而實現整個藻殖段滑動需要進一步實驗探究。(7)藍藻運動在自然環境中的生態意義是什么? 能否有效地使藍藻更好地適應環境? 如躲避高光或UV脅迫,選擇更合適的光照環境,或通過運動獲得更利于自身生長的營養環境。對部分絲狀藍藻在不同環境微生物墊中滑動研究發現,這些絲狀藍藻通過滑動可以改變自身在微生物墊中所處位置,從而改變獲取光照條件進而增強光合效率。而對海洋聚球藻泳動,淡水單細胞藍藻蹭動以及藻殖段滑動過程,仍然缺少證據表明這些藻類因為運動直接獲益。經過研究者不斷探索,相信以上問題在不久的將來可以逐步解決。