怀俄明大学博士生Vera Troselj(左)和Christopher Vassallo。
生物学的一个基本问题是：多细胞生物体内的单个细胞如何通过相互作用完成不同的生理过程？美国怀俄明州大学的研究人员在研究了粘细菌后，提出了类似问题：“来自不同环境的细胞如何相互识别，从而建立社会类群并形成多细胞有机体？”
“粘细菌通过将环境中的细胞拼凑在一起，组成一个多细胞有机体。这与植物和动物截然不同——在植物和动物中，配子融合后只形成一个合子细胞，在不断复制后，形成一个多细胞有机体，”华盛顿大学分子生物学系教授Dan Wall说，“土壤被认为是地球上最多样化的环境，其中一个小样本就能够包含数以万计的微生物。因此粘细菌创造多细胞生物的能力是显著的。总的来说，我们的工作有助于解决这个问题。”
6月22日，Wall等的研究成果以题为“Rapid Diversification of Wild Social Groups Driven by Toxin-Immunity Loci on Mobile Genetic Elements”的论文发表于《国际微生物生态学学会杂志》（ISMEJ）中。
通讯作者Wall说：“我们发现了细胞区分自我和非我的方式。多细胞性是一种很难进化和维持的生命方式，一种细胞为了自身利益，会有选择性地利用环境和其他细胞。例如，癌细胞通过该方式可以不断地在宿主身体中繁殖。幸运的是，免疫系统可将癌细胞识别为非我，并将其清除。人体系统正是以类似的方式工作。”
Wall表示，新研究是此前研究的延续。先前的研究表明，在亚物种水平上，即使一小块土壤都会有很高的微生物多样性。在粘细菌分离株中，有许多不同的社会类群，亚种之间可以相互识别。然而，先前的研究并没有阐明它是如何区分彼此的。
Wall说：“我们在新论文中探讨了粘细菌如何辨别环境中的细菌，以及高度相关的菌株如何分化或进化成不同的社会类群。”
这篇ISMEJ论文也借鉴了Christopher Vassallo和Wall于2019年在《国家科学院院刊》（PNAS）发表的论文。
Vassallo等在论文中称，粘细菌表达一种高度可变的细胞表面受体TraA。不同种细胞的TraA受体含有许多不同的序列或等位基因，细胞可以利用该受体识别其他细胞。如果其他细胞有相同的TraA受体，它们就会相互作用，导致细胞瞬间融合，并且交换蛋白质和脂质等细胞成分(DNA除外)。交换的物质中含有高度可变的毒素蛋白。因此，如果其他细胞属于“自我”，它们对这些毒素具有基因编码免疫。如果它们是不同种细胞，并且碰巧有相容的TraA受体，就会被毒素杀死。
在PNAS论文中，Vassallo和Wall发现了通过TraA识别和交换传递的六种不同的毒素家族。在粘细菌基因组中，这些毒素家族的多样性和丰度都很高。
Wall说：“我们希望验证PNAS论文中的预测。我们分析了这22种粘细菌菌株的公开基因组，鉴定了毒素基因，并预测了它们在细胞识别方面的作用。我们发现，预测和其他人的实证结果之间有着极大的相关性。随后，我们通过创造突变体对预测进行了实验测试，发现可以通过灭活转移毒素，使得原本相互拮抗的菌株之间‘和谐相处’。”
除了TraA传递/辨别系统外，Wall等还发现VI型分泌系统（T6SS）和重排热点（RHS）也参与了细胞识别。T6SS是一种将毒素转移到邻近细胞的分子注射装置。如果邻近细胞是“自己人”，它们会有免疫力；如果不是，它们会中毒。T6SS广泛分布于许多不同类型的细菌中。RHS系统对研究人员来讲还比较陌生，但它也属于“纳米武器”。
研究小组还发现，关键的鉴别毒素基因存在于染色体的转位因子上。也就是说，由毒素介导的环境中基因水平转移会导致高度相关的菌株出现分化。
原创编译：小贝 审稿：西莫 责编：雷鑫宇
期刊来源：《国际微生物生态学学会杂志》
期刊编号：1751-7362
原文链接：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-06/uow-rsm062220.php
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