北大學(xué)者PNAS解析低滲透壓適應(yīng)機(jī)制(海洋動(dòng)物是怎樣適應(yīng)低鹽分的水域？)

北大學(xué)者PNAS解析低滲透壓適應(yīng)機(jī)制

2016年10月05日訊 國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊PNAS以長(zhǎng)文在線發(fā)表了北京大學(xué)生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心白凡課題組與英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)Teuta Pilizota課題組的合作研究成果。在題為“Dynamics of Escherichia coli’spassive response to a sudden decrease in external osmolarity”的研究論文中，研究人員通過(guò)使用單細(xì)胞成像技術(shù)，觀察描述了大腸桿菌在低滲沖擊下的被動(dòng)機(jī)械敏感性響應(yīng)（passive mechanosensitive response）特征，發(fā)現(xiàn)了低滲沖擊之后大腸桿菌在初期體積快速膨脹（秒的數(shù)量級(jí)）之后體積會(huì)緩慢的回復(fù)（分鐘的數(shù)量級(jí)），甚至可以下降至初始體積之下。

該論文在單細(xì)胞水平上揭示了機(jī)械敏感性門控通道MscL和MscS在低滲沖擊響應(yīng)中的重要作用，并建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)描述低滲沖擊后大腸桿菌體積變化及恢復(fù)的機(jī)制。這項(xiàng)研究對(duì)于理解細(xì)菌如何適應(yīng)環(huán)境變化具有重要意義。

大腸桿菌在低滲沖擊下的被動(dòng)機(jī)械敏感性響應(yīng)特征：低滲沖擊之后大腸桿菌在初期體積快速膨脹后體積會(huì)緩慢的回復(fù)，甚至可以下降至初始體積之下，揭示了機(jī)械敏感性門控通道MscL和MscS在細(xì)菌低滲沖擊響應(yīng)中的重要作用。

細(xì)菌在多變的滲透壓環(huán)境中依賴于機(jī)械感應(yīng)調(diào)控而存活。針對(duì)細(xì)菌機(jī)械力感應(yīng)和調(diào)控機(jī)制的研究對(duì)于理解細(xì)菌在復(fù)雜宿主和環(huán)境中的生存有著重要意義。因此，對(duì)于細(xì)菌機(jī)械力感應(yīng)和機(jī)械敏感性通道的研究成為了一個(gè)熱點(diǎn)。機(jī)械敏感性通道在之前的體外研究中展現(xiàn)出其在細(xì)菌滲透脅迫響應(yīng)的重要作用，但是體內(nèi)研究較少，而且集中在針對(duì)細(xì)菌種群存活的研究上。

Teuta Pilizota實(shí)驗(yàn)組和白凡實(shí)驗(yàn)組在單細(xì)胞水平上觀察并描述了大腸桿菌對(duì)低滲沖擊的被動(dòng)機(jī)械敏感性響應(yīng)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)了低滲沖擊響應(yīng)的不同階段及其活動(dòng)特征。越強(qiáng)的低滲沖擊會(huì)導(dǎo)致越強(qiáng)的細(xì)胞膨脹，并且在野生型細(xì)胞中可能導(dǎo)致越強(qiáng)的過(guò)量體積恢復(fù)，而且這種特征在滲透沖擊強(qiáng)度增加到一定程度時(shí)發(fā)生飽和。研究人員通過(guò)突變體比較分析和數(shù)學(xué)建模模擬，初步闡釋了MscL和MscS通道在低滲沖擊響應(yīng)中的作用主要是在細(xì)胞膜壁張力達(dá)到閾值后，允許細(xì)胞內(nèi)外的水和溶質(zhì)順著其化學(xué)勢(shì)梯度發(fā)生遷移，同時(shí)細(xì)胞內(nèi)液會(huì)順著機(jī)械壓強(qiáng)梯度向胞外遷移。機(jī)械敏感性門控通道的活動(dòng)使得被動(dòng)機(jī)械敏感性響應(yīng)過(guò)程有著體積快速上升慢速下降的特點(diǎn)，同時(shí)在某些條件下會(huì)使得細(xì)胞體積在低滲沖擊響應(yīng)過(guò)程中變得比初始體積更小。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，在細(xì)胞體積降至初始體積之下后，體積的恢復(fù)過(guò)程可能與鉀離子的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)。這項(xiàng)工作對(duì)于進(jìn)一步研究細(xì)菌滲透壓調(diào)節(jié)以及細(xì)菌的脅迫響應(yīng)具有重要的意義。

Dr. Teuta Pilizota和白凡研究員為該論文的共同通訊作者。愛(ài)丁堡大學(xué)合成及系統(tǒng)生物學(xué)中心研究生Renata Buda，北京大學(xué)生命科學(xué)院2011級(jí)本科生劉云嘯（現(xiàn)為美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)博士研究生）、楊津（現(xiàn)為美國(guó)威斯康辛大學(xué)麥迪遜校區(qū)博士研究生），以及愛(ài)丁堡大學(xué)合成及系統(tǒng)生物學(xué)中心研究生Smitha Hegde為該論文并列第一作者。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金，Biotechnology and Biological Sciences Research Council，Human Frontier Science Program以及Darwin Trust and Industrial Biotechnology Innovation Centre的支持。

海洋動(dòng)物是怎樣適應(yīng)低鹽分的水域？

有些海洋動(dòng)物能生活在低滲溶液中，即鹽度為0。5‰～30‰的溶液中(海水為35‰)。如生活在近海沿岸的一種蟹(Carcinus)，在海水中，體液和海水等滲，進(jìn)入沿岸鹽分較低的半咸水區(qū)域，體液仍能保持較高的滲透壓，這是由于其鰓有調(diào)節(jié)體液鹽分濃度的作用。在半咸水環(huán)境中，它們的排泄器官(觸角腺，又稱綠腺)將滲入的過(guò)多的水排出體外。但由于排泄器官的機(jī)能還沒(méi)有發(fā)生適應(yīng)于半咸水環(huán)境的變化，因而排泄的尿總是和血液等滲。因此，排泄的結(jié)果，過(guò)剩的水被排除了，同時(shí)卻失去了體液中的鹽分。這就需要另外的機(jī)制來(lái)保持滲透壓的平衡。鰓將半咸水中的鹽分逆濃度梯度地(主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn))吸收，轉(zhuǎn)移到血液中，使體液鹽分得到補(bǔ)償，滲透壓不致大降。與此同時(shí)，蟹細(xì)胞內(nèi)的滲透壓也適應(yīng)于半咸水環(huán)境而有所下降；細(xì)胞中Na+和Cl-的濃度都在降低；一些氨基酸，如甘氨酸、脯氨酸、谷氨酸和丙氨酸等的濃度也都降低，而含氮廢物的排泄量卻有所增加，這說(shuō)明在低滲溶液中，氨基酸的分解加快了。由此可見(jiàn)，蟹適應(yīng)低鹽分水域的方法是“雙管齊下”，一方面通過(guò)鹽分的回收而使體液滲透壓提高，另一方面通過(guò)Na+、Cl-等離子的排出和氨基酸的分解而使細(xì)胞內(nèi)的滲透壓適當(dāng)降低，從而使體液和細(xì)胞的滲透壓達(dá)到平衡。

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