孢子形成细菌的密码27亿年来没有改变

改变自己的密码时,细菌是一样坏你,甚至可能更糟。卡内基梅隆大学的一个研究小组发现,尽管27亿年的进化,细菌仍使用相同的“密码”开始产生孢子的过程。他们的研究结果发表在九月份的《公共科学图书馆遗传学。

卡内基梅隆大学的研究人员,由部门领导生物科学的丹妮杜兰,利用计算和实验技术研究信号网络导致形成芽孢杆菌和梭状芽胞杆菌以来进化两个细菌的分化共同的祖先27亿年前。

细菌孢子在困难时期。休眠细胞周围形成了一个保护壳,让他们承受恶劣条件下热、酸度和辐射。理解孢子形成对许多领域,包括医疗保健。例如,梭状芽孢杆菌孢子的生存洗手液,使医院感染细菌的主要原因。

细菌利用“即插即用”信号网络感知和应对环境挑战。传感器蛋白质识别环境信号,将消息传递给一个激活蛋白,这取决于适当的响应。每一对sensor-activator一组特定的氨基酸,像一个密码,确保传感器将消息传递给正确的激活。

在孢子形成的网络中,一个传感器蛋白质识别环境威胁和警报控制孢子形成的激活蛋白。信号网络的即插即用特性使得细菌更容易适应一个不断变化的世界新的传感器集成到孢子形成网络。一个传感器识别出一个新的挑战,可以打开孢子形成,只要它有孢子形成活化剂的密码。

之前的研究表明,在某些被充分研究过的种芽孢杆菌和梭状芽孢杆菌,激活的蛋白质孢子形成非常相似,但是信号网络,提供的信息。acetobutylicum梭状芽胞杆菌的孢子形成蛋白质信号网络包括两个:传感器和催化剂。在枯草芽孢杆菌,网络由四个蛋白质:消息传递的传感器通过两个中间蛋白质在到达催化剂之前。这提高了问题:进化产生不同的网络,实现相同的结果?

这是认为共同的祖先有简单two-protein网络。研究人员推测,杆菌性的孢子形成网络获得了两种蛋白在进化的过程中,导致我们今天看到杆菌four-protein版本。梭状芽胞杆菌继续使用two-protein网络。这个假设很难测试使用标准序列比较的方法,这是无法区分一个信号网络。

杜兰和同事克服这个障碍,开发有针对性的计算方法,结合序列相似性,蛋白质域内容和邻近基因发现孢子形成的基因信号网络。应用这种方法时28杆菌性的基因组和56梭菌的基因组,他们发现基因编码四孢子形成网络杆菌蛋白质,如预期。令人惊讶的是,他们还发现这四个基因在许多梭菌的基因组。

这推翻了主流理论,揭示出共同的祖先一定有four-protein网络。这意味着,随着时间的推移,一些梭状芽胞杆菌进化使用简单two-protein网络。

“这是令人惊讶的,因为传统上我们考虑进化从简单到复杂,”杜兰说。“但是有越来越多的其他方向进化的例子,从复杂到简单的。”

为了更好地理解这些变化,研究的共同作者菲利普·戴维森建造人工four-protein网络在试管中,每个都有不同的组合的蛋白质中发现four-protein孢子形成网络。他能取代任何蛋白质杆菌性的four-protein孢子形成网络从梭菌属的四倍,与相应的蛋白质蛋白质网络,反之亦然,activator仍然得到了消息。这表明梭状芽胞杆菌和细菌仍使用相同的密码作为他们的祖先生活在27亿年前。

“这就像你的家庭无线网络。当你第一次看见了吗,你设置一个密码,把它放进你的无线设备。多年来,你有新电脑和智能手机,或访客需要使用无线网络。如果你改变了密码,旧设备不工作,这将会是一个麻烦。所以,你继续使用旧密码,以确保每个人都仍然可以访问系统,”杜兰说。”菲利普的实验表明,梭状芽胞杆菌和细菌困在同一个发情时改变密码。”