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饥饿将粘菌霉菌变成多细胞生物

饥饿将粘菌霉菌变成多细胞生物


硫代谢如何为多细胞性进化铺平道路


2021年2月24日

进化生物学微生物学(B&M)


当煤泥霉菌
Dictyostelium discoideum(简称Dicty)耗尽食物时,硫的限制会促使其从单细胞生物发展为多细胞生物。马克斯·普朗克免疫生物学和表观遗传学研究所的研究人员非常详细地介绍了这种早期真核生物中的营养信号传导途径。他们的结果表明,新陈代谢如何在多细胞性起源中起关键作用。此外,该发现还对诸如人类的更复杂生物具有治疗意义。在癌细胞中靶向硫代谢可以增强抗肿瘤免疫力。

在显微镜下,粘液霉菌Dictyostelium discoideum。饥饿诱导单细胞迪斯科菌聚集到多细胞生物中。.jpg

 

在显微镜下,粘液霉菌Dictyostelium discoideum。饥饿诱导单细胞迪斯科菌聚集到多细胞生物中。

©免疫生物学和表观遗传学MPI / B. Kelly

从单细胞生物到多细胞生物的转变是复杂生命形式进化的重要一步。多细胞生物起源于数亿年前,但造成这一事件的力量仍然是神秘的。为了研究多细胞性的起源,位于弗赖堡的马克斯·普朗克免疫生物学和表观遗传学研究所的埃里卡·皮尔斯(Erika Pearce)的研究小组转向了粘液霉菌 盘基网柄菌(Dictyostelium discoideum),它可以在单细胞和多细胞状态下存在,处于这一关键进化步骤的顶峰。这些截然不同的州仅取决于一件事-食物。  

皮尔斯实验室的一个核心问题是回答新陈代谢的变化如何驱动细胞功能和分化。通常,他们研究免疫细胞来回答这个问题,但是,当第一作者贝丝·凯利(Beth Kelly)加入该小组时,他们决定转移注意力。“我们发现,如果我们对养分的可获得性如何引起细胞功能变化感兴趣,那么没有比Dicty更能研究的生物了,Dicty饥饿会导致细胞从自身存在变成多细胞生物。“这是生物学的巨大转变。”埃里卡·皮尔斯(Erika Pearce)说。

饥饿推动了这种社交变形虫的多细胞聚集

仅仅通过剥夺 D. discoideum 的食物供应,他们就可以将这种生物体从单细胞变成多细胞聚集体,从而使他们能够检查驱动这种多细胞性的因素。聚集体表现为复杂的多细胞有机体,单个细胞专门具有不同的功能并整体移动。多细胞迪斯科 菌 最终形成保护性孢子,使种群能够在饥饿中生存。

饥饿的 迪斯科 引起活性氧(ROS)产生的快速爆发。ROS是由我们的细胞产生的小分子,但在更复杂的基于受体的系统存在之前,也被用于进化的早期信号传导。但是,当ROS含量过高时,它们会变得有害,氧化蛋白质和核酸,最终导致细胞死亡。因此,ROS的增加通常伴随着抗氧化剂的产生以控制这些ROS。贝丝·凯利(Beth Kelly)指出:“在我们的案例中,抗氧化剂谷胱甘肽的产生增加了,以应对饥饿时大量的ROS破裂。如果我们给饥饿的粘液霉菌额外的谷胱甘肽,我们就能阻止ROS的这种增加,重要的是,停止了多细胞聚集体的形成,使细胞保持单细胞状态。”

饥饿的饮食改变他们的新陈代谢

反过来,当他们使用抑制剂阻止谷胱甘肽的产生时,他们发现与其促进更快的聚集,反而将其逆转,从而保持了单细胞状态的时间更长。这表明除了抗氧化活性外,补充谷胱甘肽的某些功能正在逆转聚集过程。他们仔细考虑了谷胱甘肽的制备方法。它仅由三种氨基酸,半胱氨酸,甘氨酸和谷氨酰胺组成。凯利将这些成分分别单独添加到饥饿的细胞中,她发现只有半胱氨酸才能在饥饿时逆转多细胞聚集。 

半胱氨酸生物学的独特之处是什么?它是仅有的两个含硫的氨基酸之一,这种硫对于增殖细胞中的多种过程至关重要。它用于制造新蛋白质,对于酶活性至关重要,并支持代谢过程以产生能量。因此,限制半胱氨酸会限制硫的供应,减慢生长和扩散,并表明营养不足,无法继续进行这些过程。对于 双歧杆菌,这意味着它们应该过渡到多细胞状态,以形成可以在营养限制期生存的孢子,从而保护种群。

硫决定细胞功能和多细胞性

事实证明,硫的损失是造成这种多细胞性的重要过程,而增加的ROS是D. discoideum 实现这一目标的聪明手段 。通过增加ROS,使Dictyostelium饥饿  因此增加了谷胱甘肽的产量。“这实际上将细胞中的半胱氨酸拉成谷胱甘肽,限制了其硫用于增殖和蛋白质生产的用途。通过人为地阻止谷胱甘肽的产生,或通过向饥饿的细胞提供额外的半胱氨酸,我们可以恢复这种硫的供应,恢复增殖和单细胞状态,”贝丝·凯利说。“因此,我们揭示了硫如何决定单细胞和多细胞状态之间的转换。” 硫和氧是古代世界中常见的小元素,这项工作揭示了它们可能在多细胞起源中发挥了作用。 

“除此之外,我们认为我们的工作对更复杂的生物体具有治疗意义。癌细胞具有很高的增殖能力,某些癌细胞专门保留硫的代谢。限制或靶向这些细胞中的硫代谢过程可能会增强抗肿瘤免疫力,” Pearce说。免疫细胞通过含有不同营养混合物的环境运输,免疫细胞功能取决于代谢途径的活性。操纵硫代谢可能是调节免疫细胞功能的一种手段。总的来说,在真核双歧杆菌早期检查这种保守的营养信号传导途径可能对哺乳动物细胞功能非常有用。


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