Science最新| 万物有灵,细菌如何感知「凛冬将至」

文摘   2024-12-10 08:35   江苏  

研究目标和问题意义

这篇于2024年9月6日在线发表在Science上的研究论文旨在探究原核生物蓝细菌是否具有光周期现象,即通过测量日夜长度差异(光周期时间测量)来预测季节变化并做出适应性调整。过去人们认为只有真核生物才具有这种能力,但该研究发现,拥有极短世代时间(5-6小时)的蓝细菌竟然也表现出了这种能力。

Unexpectedly, we observed this capability in cyanobacteria — unicellular prokaryotes with generation times as short as 5 to 6 hours.

这一发现具有重要意义。首先,它表明光周期现象可能是一种古老的生物学特性,在多细胞真核生物出现之前就已经进化出来。其次,光周期现象往往与季节性资源分配和繁殖行为等密切相关,是生物适应环境的重要机制。深入理解其分子机制,有助于我们认识生物多样性的形成过程,也为人工调控光周期现象、提高农作物和家畜生产力提供新思路。

此外,蓝细菌作为地球上最古老、分布最广的生命形式之一,在全球碳氮循环、生态系统平衡等方面发挥着关键作用。研究其生理特性和适应机制,对于应对气候变化、开发清洁能源等具有重要产业价值。

研究思路与创新方法

作者提出,既然不同纬度地区的蓝细菌面临显著的季节性光周期和温度变化(图S1),那么它们很可能进化出了某种时间感知机制。为验证这一假说,他们设计了一系列精巧的实验:

  1. 将野生型(WT)和昼夜节律钟基因敲除(ΔkaiABC)的 Synechococcus elongatus PCC 7942 蓝藻置于模拟不同季节的短日照(LD8:16)、等时(LD12:12)和长日照(LD16:8)条件下,连续培养8个24小时周期,然后测试其耐冰冻能力。

  2. 通过改变检测时间点(图1C)、连续培养周期数(图2A-B)、光照强度(图2E-F)等参数,系统评估光周期效应的动态特征。这些实验表明:

This differential survival was not observed in arhythmic cells in which the circadian clock genes kaiA, kaiB, and kaiC had been deleted (DkaiABC; Fig. 1B and fig. S3, A and B) or in mutants that lacked other components of the core clockwork or its output pathways (DkaiA, DrpaA, DcikA, DsasA; fig. S3, A and C).

At least four cycles seemed to be necessary to achieve the full magnitude of the photoperiodic response (Fig. 2, A and B). The development of differential survival among PPs appeared to be mainly caused by a progressive gain of resistance in short days, rather than by a further loss of cold resistance in long days.

  1. 通过脂质组学分析,揭示短日照条件下蓝藻细胞膜中不饱和脂肪酸含量显著增加,提高了膜流动性,从而增强耐寒性(图3)。这与低温驯化引起的分子变化非常相似。

  2. 利用RNA测序技术,在不同光周期下对野生型和ΔkaiABC突变株进行转录组分析。结果发现短日照诱导了一系列独特的基因表达模式(图4),其中超过25%的基因发生显著变化,涉及DNA代谢、脂肪酸代谢、细胞周期、应激反应等关键过程。值得注意的是,σ因子(如rpoD2和sigC)作为全局转录调控因子,在其中扮演了重要角色。

与以往研究相比,该论文在概念上提出了原核生物可能也具备光周期时间测量能力这一颠覆性观点。在实验设计上,作者针对不同水平(表型、代谢组学、转录组学)进行了系统深入的分析,并巧妙利用突变体阐明了昼夜节律钟在其中的关键作用,从而构建出光周期现象的分子调控网络。这种多学科交叉、细致入微的研究范式值得借鉴。

蓝细菌中光周期时间测量的发现及其调控机制

野生型和突变株在不同光周期下存活率的差异揭示了光周期现象的存在

作者首先比较了野生型(WT)和昼夜节律钟突变株(ΔkaiABC)在模拟不同季节光周期条件下对低温的存活能力。结果发现,WT菌在短日照(LD8:16)条件下经低温处理后的存活率显著高于在长日照(LD16:8)或等时(LD12:12)条件下的存活率,而ΔkaiABC菌株则无此差异。

Prior exposure to short days led to approximately two to three times higher survival of wild-type (WT) cyanobacteria compared with those that were exposed to equinox or long days (Fig. 1B).

This differential survival was not observed in arhythmic cells in which the circadian clock genes kaiA, kaiB, and kaiC had been deleted (DkaiABC; Fig. 1B and fig. S3, A and B) or in mutants that lacked other components of the core clockwork or its output pathways (DkaiA, DrpaA, DcikA, DsasA; fig. S3, A and C).

这一发现首次在原核生物中揭示了光周期现象的存在,突破了人们认为只有真核生物才具备这种能力的认知局限。同时,突变株数据证实,这种能力依赖于完整的昼夜节律钟系统,揭示了生物钟在光周期现象中的关键作用。

图1B的存活曲线直观展示了WT菌在不同光周期下耐冷能力的显著差异,以及突变株缺失这种差异,有力支持了光周期现象依赖昼夜节律钟这一结论。

光周期效应需要多个周期的累积才能充分建立

为进一步探究光周期效应的发展动态,作者测试了不同培养周期数对WT菌株耐冷性的影响。数据表明,显著的存活率差异需要至少4个光周期的累积诱导才能充分建立(图2A-B),且这主要源自短日照条件下的耐冷性逐步增强,而非长日照条件下耐冷性的进一步降低。

At least four cycles seemed to be necessary to achieve the full magnitude of the photoperiodic response (Fig. 2, A and B). The development of differential survival among PPs appeared to be mainly caused by a progressive gain of resistance in short days, rather than by a further loss of cold resistance in long days.

这一结果挑战了光周期效应可以快速建立的传统观点,提示蓝藻可以在跨越多个世代的时间尺度上"记忆"和整合光周期信息,即所谓的"光周期计数器"。这种跨世代调控模式对于理解原核生物的适应进化机制具有重要启示。

图2A-B系统比较了不同光周期周数对WT菌存活率的影响,揭示了光周期效应随时间逐步建立和增强的动态特征,尤其是4个周期后达到显著水平。这为"光周期计数器"假说提供了关键数据支持。

脂质组学分析揭示短日照诱导的细胞膜脂质组分变化与耐冷性提高相关

作者采用脂质组学方法分析了WT和ΔkaiABC菌株在不同光周期下细胞膜脂的组成变化。结果发现,经短日照处理的WT菌体内不饱和脂肪酸含量显著增加,尤其是单半乳糖二酯(MGDG)和磷脂酰甘油(PG)的不饱和程度显著提高,而这种变化在突变株中消失。这种脂质组分的调整类似于低温驯化引起的适应性变化,提示光周期诱导的耐冷性可能是通过调节膜脂饱和度实现的。

WT cells exposed to short days had increased the abundance of desaturated lipid species in their cell membranes [especially species in the monogalactosyldiacylglycerol (MGDG) and phosphatidylglycerol (PG) classes; Fig. 3, E and F]. This increase was of the same magnitude as that observed for cells exposed to equinox plus 24 hours at 20°C.

这是首次在蓝藻中发现光周期诱导的膜脂适应性变化,为揭示光周期现象的分子机制提供了新思路。同时,比较分析表明这种变化依赖于完整的生物钟系统,进一步支持了生物钟在光周期调控中的核心地位。

图3E-F的柱状图清晰展示了WT菌在短日照条件下MGDG、PG等主要膜脂成分不饱和度的显著提高,以及这种变化类似于低温驯化效应但在突变株中消失,直观揭示了光周期调控膜脂组分与耐冷性的内在联系。

RNA测序揭示短日照诱导的全基因组转录组重编程与关键调控通路

作者利用RNA测序技术分析了WT和ΔkaiABC菌株在不同光周期下的基因表达谱。数据显示,短日照诱导了WT菌广泛的基因表达变化,超过25%的基因(708个)表达水平发生显著改变,其中一半以上的差异基因在4个光周期后就已稳定建立(图4B-C)。GO分析表明,这些差异表达基因主要富集在DNA代谢、脂质代谢、细胞周期、应激反应等关键通路(图4F)。值得注意的是,多个σ因子如rpoD2、sigC的表达受到显著影响,提示其可能在转录水平整合光周期信号。相比之下,ΔkaiABC菌株光周期诱导的差异基因数量显著减少。

Global programs of gene expression were differential in cells exposed to short versus long days (708 genes were differentially expressed in WT at 8PP, which constitutes ~25.5% of the genome), and more than half of the differentially expressed genes achieved that status by four PPs (Venn diagrams in Fig. 4B, volcano plots in Fig. 4C, and principal components analysis and distance matrix in fig. S13).

这些结果揭示了光周期诱导的全基因组表达重编程模式,为光周期现象提供了系统性的分子解释。特别是通过比较分析WT和突变株数据,作者构建了"昼夜节律钟-σ因子-下游效应基因"的层级式光周期信号转导模型,在机制层面阐明了光周期测量能力的多层次调控。基因表达数据与前述表型及脂质组结果的高度一致性,也从整体水平印证了研究结论的可靠性。这些成果极大拓展了人们对原核生物环境适应调控的认知。

图4B的维恩图展示了WT菌株在不同光周期周期数(1、4、8周期)下差异表达基因的动态变化。如图所示,1个周期的短日照与长日照相比,仅诱导了9个基因的差异表达;而4个和8个周期分别诱导了361个和708个差异基因,且大部分差异基因在4个周期后就已建立。

Venn diagrams show the number of differentially expressed genes shared between each condition (not including genes differentially expressed in opposite ways).

这一结果支持光周期反应需要多个周期的累积诱导。

图4C的火山图则直观展示了8个短日照周期诱导的差异表达基因(红/蓝点),以及这些基因在1个和4个周期的表达变化。

Volcano plots showing the differentially expressed genes for WT at one PP, four PPs, and eight PPs, colored by the difference in expression at eight PPs. The numbers in blue on the bottom plot refer to the total number of genes underexpressed in short days for WT after eight PPs, whereas those in red show the genes overexpressed. On the middle and top plots, the numbers refer to genes under- or overexpressed in WT after either four PPs or one PP that are also under- or overexpressed in WT after eight PPs.

可以看出,大部分8周期差异基因在1个周期时无明显变化,4个周期后逐渐显现,提示光周期效应需要多周期诱导逐步建立。

图4F比较了WT和突变株的KEGG富集通路差异。结果显示,DNA代谢、脂质代谢、细胞周期、应激反应等关键过程的相关基因在WT菌中大量上调或下调,而在突变株中变化不明显。

Instead of log2(FC), we show in this panel the ratio of differentially expressed genes (DEGs) by the total amount of genes that were annotated as part of that pathway. The first four columns show the ratio of overexpressed genes within each pathway and are akin to the first four columns in panel (D). The four columns afterward show the ratio of underexpressed genes. The remaining two columns on the left show the resulting ratio of over- and underexpressed genes.

这表明上述过程受到光周期和昼夜节律钟的协同调控,为深入解析调控网络奠定了数据基础。

小结

综上所述,该文利用蓝藻这一原核模式生物,通过系统的表型分析、突变株验证、组学测量等多学科交叉手段,首次在原核生物中发现了光周期时间测量现象及其分子调控机制。主要创新性发现包括:1)蓝藻通过光周期测量产生适应性的耐冷表型,且该能力依赖完整的昼夜节律钟;2)光周期效应需要一定周期(4-8个)的诱导累积才能充分建立,符合"光周期计数器"假说;3)短日照诱导的细胞膜脂质不饱和化是其提高耐冷性的重要分子基础;4)光周期信号通过昼夜节律钟、σ因子等的层级式转导,在全基因组水平驱动广泛的代谢和应激通路重编程。这些发现系统阐明了蓝藻感知和整合光周期信息、进而协同多种细胞过程产生季节适应性的分子图景,在概念和方法上为深入理解生物光周期现象及其进化意义提供了范式。同时,相关研究思路和技术路线对于探索光周期调控在农业、健康、生态等领域的应用潜力也具有重要启示意义,为未来的基础和转化研究指明了方向。


研究意义与潜在应用

这项开创性研究将给基础生物学和产业界带来深远影响:

  1. 揭示光周期现象可能是一种古老且普遍存在的生物学特征,为探索其进化起源、分子机制和生态意义提供了全新视角。相关成果有望推动时间生物学、进化生物学等学科的发展。

  2. 证实原核生物蓝藻中存在复杂的光周期调控网络,包括脂质代谢、应激反应等关键过程,为开发新型抗逆基因资源奠定基础。未来可利用合成生物学等手段,调控蓝藻的光周期反应,提高其环境适应性和工业应用潜力。

  3. 脂质组学和转录组学分析揭示,光周期现象涉及细胞膜脂质组分、碳水化合物代谢、热休克蛋白、氧化应激等多个层面的动态变化,这些研究思路和数据资源可为农作物和其他生物的抗逆机制研究提供有益参考。

  4. 作为地球上分布最广、固碳贡献最大的生物类群之一,蓝藻的生理生态特性备受关注。深入理解其对环境因子的响应规律,有助于预测和调控蓝藻水华的发生,为水环境治理提供科学依据。此外,还可利用蓝藻发展高效制氢、固碳减排等清洁技术。

作为科研人员,我们应密切关注以下几点:1)光周期现象在原核和真核生物中的分子调控网络异同;2)不同光周期信号之间的整合机制;3)光周期现象与生物进化、生态适应的内在联系;4)如何利用合成生物学等手段定向改造光周期反应。这些基础科学问题的解决,将极大推动生物技术和绿色产业的创新发展。

未来研究方向与展望

尽管该研究取得了重要突破,但仍有许多科学问题有待进一步探索:

  1. 蓝藻光周期现象的分子机制尚未完全阐明,尤其是细胞如何感知和整合光周期信号、进而驱动下游应答尚不清楚。利用化学遗传学、光遗传学等新技术,有望在这一方面取得新进展。

  2. 不同蓝藻种类乃至其他原核生物中光周期现象的普遍性及差异性有待系统考察。这需要开展大规模的比较基因组学和表型鉴定分析。结合进化生物学理论,可望揭示其起源、发展和分化规律。

  3. 光周期现象赋予生物顺应季节变化的能力,在农业育种等方面具有广阔应用前景。未来可探索利用基因编辑、合成生物学等手段,调控作物和家畜的光周期反应,以提高产量、改善品质。这将催生出一系列创新性育种技术和高附加值品种。

  4. 鉴于全球气候变化日益加剧,研究生物光周期现象与极端环境适应的关系愈发重要。这不仅有助于预测气候变化的生态效应,也为开发环境友好型生物技术提供理论指导。相关研究有望形成新的学科生长点。

  5. 在方法学上,本研究充分利用突变体、组学分析等现代生物学技术,为复杂生物学问题的研究树立了典范。未来可进一步整合多组学数据,构建光周期调控的数学模型和人工智能算法,加速基础研究向应用开发的转化。

Critical Thinking

  • 论文选取单一蓝藻品系(Synechococcus elongatus PCC 7942)进行研究,缺乏其他蓝藻乃至原核生物的数据支持,结论的普适性有待验证。未来需要在更多物种中开展比较研究。

  • RNA测序实验缺乏生物学重复,技术重复性有待提高。此外,关键基因的功能验证主要依赖突变株,缺乏RNA干扰、基因过表达等其他证据。后续研究应采用多种遗传操作手段,进一步厘清基因调控网络。

  • 研究主要聚焦低温适应表型,而自然条件下光周期变化通常伴随多重环境胁迫。不同胁迫因子之间的互作机制有待系统研究。这对于理解蓝藻的生态适应策略至关重要。

  • 脂质组学分析局限于主要膜脂类别,对其他代谢物如色素、半胱氨酸等关注不够。整合代谢组学、蛋白质组学等多组学数据,或许能够提供更全面的调控图景。

  • 野生型和突变株株系遗传背景的差异可能影响实验结果的解读。理想情况下,应该构建等位基因替换的突变株,确保遗传背景一致性。此外,互补实验也是必不可少的。

  • 论文讨论部分对光周期现象的进化起源问题缺乏深入探讨。固然推测其源自应激反应通路的说法有一定道理,但尚缺直接证据支持。进一步的比较基因组学和进化分析或许能够厘清其进化脉络。

Biosyn导师:Carl Hirschie Johnson
https://as.vanderbilt.edu/johnsonlab/

Carl Hirschie Johnson是一位著名的时间生物学家,目前在美国范德堡大学生物科学系担任教授。他的研究兴趣主要集中在生物节律,尤其是昼夜节律。

Johnson教授是该领域的先驱之一。25年前,当时的时间生物学家普遍认为原核生物(细菌)没有昼夜节律。而Johnson教授及其同事的开创性工作首次证明了蓝细菌存在真正的昼夜节律钟系统,推翻了这一传统观点。此后,他们在蓝细菌生物钟的分子机制研究中取得了一系列突破,如率先解析了KaiA、KaiB、KaiC蛋白的晶体结构,建立了体外重构的KaiABC蛋白振荡系统等,使该模式系统一直处于昼夜节律研究的最前沿。

此外,Johnson教授还致力于研究生物钟的适应性意义,开创性地利用蓝细菌进行了严格的适应度测试。他们还将研究拓展到其他细菌,探索生物钟的起源与进化。另一方面,Johnson教授也关注生物钟调控在合成生物学中的应用,如利用蓝细菌作为反应器生产生物燃料、药物等。

除了细菌,Johnson教授也研究哺乳动物的昼夜节律神经调控。他们在Angelman综合征小鼠模型中发现了Ube3a基因印记与生物钟紊乱的独特联系。这为该疾病的时间治疗提供了新思路。此外,他们还建立了荧光素酶报告细胞系和小鼠模型,利用发光监测哺乳动物和脑组织的节律。

Johnson教授还开发了一种测量蛋白质相互作用的新方法,称为生物发光共振能量转移(BRET)。他们基于BRET开发了钙离子、氢离子等新型检测探针,并将其与光遗传学、高通量筛选等技术耦合,展现了广阔的应用前景。

总的来说,Johnson教授是一位多产且极具创新精神的科学家。他在细菌和哺乳动物生物钟的基础研究和应用开发方面取得了诸多开创性成果,并持续开拓新的研究方向和技术手段,对推动时间生物学的发展做出了卓越贡献。


Biosyn世纪
施一公:“我相信,21世纪是生命科学的世纪,而华人生物学家将在其中发挥极为重要的作用。”
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