孢子形成的细菌密码在27亿年内没有改变

当谈到改变他们的密码时，细菌就像你和我一样糟糕 - 甚至可能更糟。卡内基梅隆大学的一个研究小组发现，尽管有27亿年的进化，细菌仍然使用相同的“密码”来启动制造孢子的过程。他们的研究结果发表在9月的PLOS遗传学杂志上。

由生物科学部Dannie Durand领导的卡内基梅隆研究人员利用计算和实验技术研究导致芽孢杆菌和梭菌形成孢子的信号网络如何发展，因为这两种细菌从27亿年前的共同祖先分离出来。

当时间艰难时，细菌会产生孢子。在休眠细胞周围形成保护壳，使其能够承受诸如热，酸和辐射等恶劣条件。了解孢子形成对许多领域都有影响，包括医疗保健。例如，艰难梭菌的孢子可以在洗手液中存活，使该细菌成为医院获得性感染的主要原因。

细菌使用“即插即用”信号网络来感知和应对环境挑战。传感器蛋白识别环境信号并将信息传递给激活蛋白，该激活蛋白打开适当的反应。每个传感器 - 激活器对都有一组特定的氨基酸，就像密码一样，可以确保传感器将信息传递给正确的激活器。

在孢子形成网络的情况下，传感器蛋白识别环境威胁并警告控制孢子形成的激活蛋白。通过将新传感器集成到孢子形成网络中，信号网络的即插即用特性使细菌很容易适应不断变化的世界。识别新挑战的传感器可以打开孢子形成，只要它具有孢子形成激活剂的密码即可。

先前的研究表明，在某些经过充分研究的芽孢杆菌和梭菌属物种中，激活孢子形成的蛋白质非常相似，但传递信息的信号网络则不然。在丙酮丁醇梭菌中，孢子形成信号传导网络由两种蛋白质组成：传感器和激活剂。在枯草芽孢杆菌中，网络由四种蛋白质组成：信息在到达活化剂之前从传感器通过两种中间蛋白质。这提出了一个问题 - 进化如何产生不同的网络，以达到相同的结果?

人们认为共同的祖先有简单的双蛋白质网络。研究人员假设Bacillar孢子形成网络在进化过程中获得了两种蛋白质，导致我们今天在Bacilli中看到的四种蛋白质形式。梭菌属继续使用双蛋白质网络。使用标准序列比较方法难以测试该假设，所述标准序列比较方法不能将一个信号网络与另一个信号网络区分开。

Durand及其同事通过开发一种结合序列相似性，蛋白质结构域含量和相邻基因的目标计算方法来克服这一障碍，以找到参与孢子形成信号网络的基因。当他们将这种方法应用于28个Bacillar基因组和56个梭菌基因组时，他们发现了在Bacilli中编码四种孢子形成网络蛋白的基因，如预期的那样。令人惊讶的是，他们还在许多梭菌基因组中发现了所有四种基因。

这推翻了流行的理论，揭示了共同的祖先必须拥有四蛋白质网络。这意味着随着时间的推移，一些梭菌进化成使用更简单的双蛋白质网络。

“令人惊讶的是，因为传统上我们认为进化从简单到复杂，”杜兰德说。“但是，从复杂到简单的另一个方向，有越来越多的进化的例子。”

为了更好地理解这些变化，研究合着者Philip Davidson在试管中构建了人工四蛋白网络，每个网络都有四种蛋白质孢子形成网络中发现的蛋白质的不同组合。他能够用来自梭菌四蛋白网络的相应蛋白替换Bacillar四蛋白孢子形成网络中的任何蛋白质，反之亦然，并且活化剂仍然得到了信息。这表明Clostridia和Bacilli仍然使用与其生活在27亿年前的祖先相同的密码。

“这就像你的家庭无线网络。当你第一次拿到它时，你设置了一个密码，并把它放在你的所有无线设备中。多年来，你有新的电脑和智能手机，或者有访客需要使用无线如果您更改了密码，旧设备将无法正常工作，这将是一件麻烦事。因此，您继续使用旧密码确保每个人仍然可以访问系统，“杜兰德说。“菲利普的实验表明，当我们改变密码时，梭菌和芽孢杆菌会陷入同样的​​困境。”