细胞形态塑造蛋白质模式

精确控制特定蛋白质的分布对许多生物过程至关重要。LMU团队现在已经描述了用于细胞内模式形成的新模型。在这里，细胞本身的形状起着重要作用。斑马条纹的特征图案，许多贝壳上看到的彩色条纹，以及向日葵头中种子的螺旋分布，都是众所周知的自然图案形成的例子。类似的模式化过程发生在细胞层面。- 事实上，它们是许多生物过程的关键组成部分：例如，分裂细胞的解理面的位置由空间定位的蛋白质定义。由LMU生物物理学家Erwin Frey领导的一组研究人员现在使用计算机模拟来了解如何在细菌细胞的细胞质内创建和维持这些蛋白质模式他们的研究结果指出了一种先前未曾预料到的机制，即在单独的细胞空间几何形状的直接影响下出现稳定的蛋白质模式。他们的研究结果发表在PNAS期刊上。

“我们开始模拟细菌大肠杆菌中的细胞内模式形成，”Frey说。当大肠杆菌分裂时，分裂平面总是恰好位于棒状细胞的长轴的中间。遗传学研究表明，MinC，MinD和MinEserve蛋白质是解理面位点的重要决定因素。这些蛋白质不断地从细胞的一端来回穿梭到另一端。这种往复运动是由MinD和MinE之间的周期性互动驱动的。当MinD结合核苷酸ATP时，它附着在细胞膜上并招募MinE。MinDE复合物的形成反过来诱导ATP缓慢水解成ADP。这导致两个亚基释放到细胞质中，其中MinD将其结合的ADP与另一个ATP分子交换。这种振荡行为产生双极分布，其特征在于细胞末端的高浓度MinD和MinE并且低得多中间的水平。结果，在生长细胞的极点处，但不在中点处抑制解理面的形成。

在极地优先积累

Frey和他的团队成员Dominic Thalmeier和Jacob Halatek为形成如此惊人的蛋白质分布而开发的模型实际上受到了这个系统中相关蛋白质AtMinD的影响。“这种见解的基础是由实验观察提供的，即双极模式仍然在大肠杆菌突变体中形成，其中MinD和MinE已被AtMinD取代，AtMinD是一种在拟南芥(拟南芥)的叶绿体中表达的同源蛋白质，”该研究的第一作者Thalmeier解释说。与MinD一样，AtMinD可以以两种核苷酸结合的形式存在。然而，在这种情况下，两者都可以结合细菌细胞膜。这两种形式的AtMinD接管MinD和MinE的作用，

“在我们的最小模型中，图案形成过程是质量作用定律的结果，并受到两种形式的AtMinD在细胞膜相对亲和力方面不同的事实的调节。但我们也证明了几何细胞本身发挥了重要作用。“通过细胞质扩散的蛋白质与细胞膜接触的可能性取决于细胞膜可接触的面积。在杆状电池的情况下，由于极点处的曲率，该电池两端的概率最高。这就是为什么蛋白质优先与极性膜结合，并产生双极性模式的原因。这通过以下事实得到证实：当以球形体积进行模拟时，未出现偏振图案。“新模型并不要求蛋白质对膜曲率的本质敏感，反应速度也不需要微调，“Frey解释说。”在这方面，我们的模型与着名的模型根本不同图灵形成的图灵机制，有可能改变我们现在如何看待生物系统中模式形成的整个问题。“

Frey和他的同事现在计划在其他环境中搜索其他类似的简单系统。如果我们能够成功地重建这样的系统，可以组合不同的最小模式模块来模拟不同的重要细胞功能。 - 从长远来看，这可能有助于人工细胞的发展，这将有助于我们更好地了解复杂的生物过程，Frey总结道。