Informacija

Heterocistų funkcija cianobakterijose ir jos lokalizacija

Heterocistų funkcija cianobakterijose ir jos lokalizacija


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

1.Kokia yra heterocistos funkcija?

2. Kur jis yra?

Manau, kad heterocista gali būti apsauginis organas ląstelėse!


Pagal wikipedia:

Heterocistos yra specializuotos, blyškiai geltonos, storasienės ląstelės, kurių azoto fiksavimo funkcija yra ginčijama, susidariusios azoto bado metu kai kurių siūlinių melsvabakterių, tokių kaip Nostoc punctiforme…

Taigi pagal apibrėžimą jos yra ne ląstelėse, o pačiose diferencijuotose ląstelėse.

Tai geras dokumentas, kuriame galite sužinoti daugiau apie azoto fiksavimą cianobakterijoje Anabaena variabilis.

Apskritai cianobakterijos yra fotosintetiniai prokariotai, ir daugelis jų gali fiksuoti azotą (tai yra gebėjimas naudoti ir įtraukti azotą iš oro kaip N2 dujas). Fermentas, vadinamas azotogenaze, yra jautrus deguoniui, todėl azoto fiksavimą reikia atskirti laikinu arba erdviniu būdu, kad būtų išvengta fotosintezės metu gaminamo deguonies fermento pažeidimo.

Anabaena spp. aerobinis azoto fiksavimas apsiriboja diferencijuotomis ląstelėmis, vadinamomis heterocistomis, kurios, reaguodamos į azoto badą, gijose susidaro pusiau taisyklingai. Fiksuotas azotas heterocistose yra pernešamas į vegetatyvines ląsteles siūlelyje, o vegetatyvinės ląstelės tiekia anglį ir reduktorius heterocistoms

Taigi, kaip matote, Spearato ląstelės dirba kartu, kad aprūpintų viena kitą būtinomis maistinėmis medžiagomis. Svarbu pažymėti, kad kai yra pakankamai fiksuoto azoto šaltinio, tokių specializuotų darinių skaičius yra mažas, nes nereikia kaupti papildomo azoto.

Nuorodoje pateiktame straipsnyje yra daug informacijos apie heterocistas ir azoto fiksavimą. Taip pat šiame dokumente pateikiama išsami informacija apie azoto fiksavimo reguliavimą ir išsamus proceso vaizdas:


Visų pirma, trumpas ir saldus heterocistos apibrėžimas yra specializuotos ląstelės su vienalyčiu protoplastu. Abiejuose galuose yra sustorėjimų, vadinamų poliariniais mazgeliais. Poliariniai mazgeliai aprūpinti smulkiomis poromis. Heterocistas padeda fiksuoti atmosferos azoto junginius. Kai kuriose Nostoc rūšyse, pvz., N.commune, heterocistos veikia kaip poilsio poros. Heterocistų protoplazma tampa funkcionali ir sudygsta, kad susidarytų naujas siūlas.


Heterocista ar ne heterocista?

Kas yra ląstelėje, dėl kurios ji tampa vienokia, o ne kitokia ląstele? Ir atvirkščiai, kas yra ląstelėje, kuri ragina ją nesijudinti? Tai žavus ląstelių likimo pasaulis, vienas iš labiausiai intriguojančių klausimų, kuriuos vystymosi biologai svarstė šimtmečius. Melsvai žalios mėlynos bakterijos Anabaena yra puiki vieno vystymosi modelio iliustracija: ląstelių diferenciacija vyksta dėl molekulių difuzijos, kuri sukuria ląstelės gradientą. Taigi ląstelių diferenciacija tampa „daugiau ar mažiau“ problema. Viena iliustracijų yra labai mažame peptide – vos 17 aminorūgščių ilgio – žinomame kaip patS. PatS koncentracijos skirtumas yra ne tik ženklas, kad Anabaena ląstelė netrukus pasikeis, bet ir kaimyninės ląstelės.

Anabaenayra gijinės cianobakterijos, o tai reiškia, kad jos auga kolonijomis. Melsvabakterijos gyvuoja nuo pirmųjų gyvybės burbulų atsiradimo ir visada gyveno pačiose įvairiausiose ir ekstremaliausiose ekologinėse buveinėse. Be jų mūsų greičiausiai čia nebūtų. Tiesą sakant, jie yra tie, kurie prieš daugiau nei 3 milijardus metų išspjovė į atmosferą deguonį ir atvėrė kelią tiems, kurių kvėpavimas priklauso nuo to.

Anabaena turi tik dviejų tipų ląsteles, dėl kurių jis yra paprastas tirti „organizmas“: vegetatyvinės ląstelės ir didesnės ląstelės, vadinamos heterocistomis. Koks skirtumas? Vegetatyvinės ląstelės vykdo fotosintezę, todėl melsvadumbliai pirmiausia buvo vadinami melsvadumbliais. Heterocistos fiksuoja atmosferos azotą, ko negali padaryti vegetatyvinės ląstelės. Kai nėra pakankamai fiksuoto azoto (NH4 ir NO3), heterocistos iš tikrųjų gali jo pasigaminti ir paskirstyti kaimyninėms vegetacinėms ląstelėms, kurios savo ruožtu siūlo deguonies produktus. Ir kadangi deguonis yra mirtinas azoto genazei, heterocistos yra apsuptos stora apsaugine ląstelių sienele, todėl jas lengva atskirti nuo vegetatyvinių analogų.

Anabaena prasideda kaip vegetatyvinių ląstelių siūlas. Kai neužtenka fiksuoto azoto, viena iš vegetatyvinių ląstelių tampa heterocista. Heterocistų diferenciacija trunka maždaug 24 valandas. Tačiau jie yra aklavietės: skirtingai nei jų vegetatyviniai kolegos, jie nebegali daugintis. Tačiau juos supančios vegetatyvinės ląstelės ir toliau tai daro. Dėl to fiksuoto azoto atsargos greitai išsenka ir atsiranda dar viena heterocista. Ir taip toliau. Rezultatas yra vegetatyvinių ląstelių virtinė, kurią reguliariais intervalais nutraukia heterocistos, kurių atsiradimą, palaikymą ir reguliarumą organizuoja patS.

Kai fiksuoto azoto pritrūksta, patS išreiškiamas kiekvienoje ląstelėje, kur jis palaipsniui didėja, išskyrus tą, kur jo gausa yra daug didesnė. Šiai konkrečiai vegetatyvinei ląstelei lemta tapti heterocista. Tačiau kitos vegetatyvinės ląstelės taip pat būtų, jei nebūtų patS, kuris iš priešheterocistos per periplazmą prasiskverbia į gretimas kaimyninių vegetatyvinių ląstelių periplazmas, kur išjungia ląstelės gebėjimą diferencijuotis. Taigi patS vaidmuo yra ne tiek ląstelių diferenciacija, kiek iš tikrųjų ląstelių diferenciacijos slopinimas. PatS, kurio ilgis yra tik 17 aminorūgščių, jau yra mažas, tačiau buvo įrodyta, kad diferenciacijai slopinti reikia tik penkių iš eilės aminorūgščių.

Molekuliniu lygmeniu niekas nežino, kaip veikia patS. PatS išraiškos padidėjimas sukelia atsaką. Mažėjant jo koncentracijai – taigi ir galiai slopinti – vėl gali atsirasti diferenciacija vegetatyvinėje ląstelėje, maždaug 10 ląstelių pasroviui arba prieš heterocistą. Taigi, patS ne tik slopina heterocistų diferenciaciją, bet ir palaiko ją bei nustato heterocistų tarpus. Tai svarbu, nes heterocistų susidarymas yra brangus verslas, ne tik sunaudoja daug energijos, bet ir neleidžia daugintis. Ir jokia gyva rūšis negali sau leisti to daryti per dažnai.

Teigti, kad pats patS slopina heterocistų diferenciaciją, reikštų, kad azoto produktai, tiekiami pačių heterocistų, taip pat turi tiesioginį vaidmenį. Susiformavę jie paskirstomi į kaimynines ląsteles, kur taip pat sukuria fiksuoto azoto gradientą. Kadangi šis gradientas kartu su patS gradientu mažėja abiejose heterocistos pusėse, susidaro nauja heterocista. Ir ciklas tęsiasi.

Vienas įdomus klausimas, kuris iki šiol lieka neatsakytas, yra prieš heterocistą įgytas imunitetas patS. Kažkas besiskiriančioje ląstelėje turi padaryti ją atsparią patS, o visos kitos identiškos vegetatyvinės ląstelės yra jam jautrios, todėl heterocistų diferenciacija būtų trukdoma. Apibendrinant galima pasakyti, kad mes turime pentapeptidą, kuris turi tiesioginį vaidmenį ląstelės likime, kelia klausimą apie įgytą imunitetą ir siūlo erdvinį dviejų biocheminių procesų – fotosintezės ir azoto fiksacijos – atskyrimą, kurie paprastai yra nesuderinami viename organizme!

Iki šiol jokia chemijos pramonė neužfiksavo patS ir jo vaidmens ląstelių likime. Anabaena pati taip pat nesulaukė didelio entuziazmo – skirtingai nei jos pusseserė Spirulina, kuri pridedama prie madingų dietų. Anabaena labiau tikėtina, kad sukels niežėjimą plaukikams ar net nužudys. Tačiau pastaruoju metu buvo raginama investuoti į Erio ežerą (JAV) Anabaena, o pirminis viešas siūlymas jau buvo atliktas. Anabaena buvo apibūdinta kaip verta investicija, nes ji tiekia didelę dalį žemės deguonies ir, didėjant gyventojų skaičiui, žmonėms jo prireiks vis daugiau. AnabaenaOficialus reklaminis šūkis buvo toks: „Anabaena – mes nesukūrėme atmosferos, mes tiesiog padarėme ją kvėpuojančią“.

Protein Spotlight (ISSN 1424-4721) yra mėnesinė apžvalga, kurią parašė SIB Šveicarijos bioinformatikos instituto Swiss-Prot komanda. „Spotlight“ straipsniuose neoficialiu tonu aprašomas konkretus baltymas arba baltymų šeima. Sekite mus: Prenumeruoti · Twitter · Facebook

Heterocistų ir akinetų diferenciacija cianobakterijose: požiūris į melsvadumblių simbiozę

Pratika Singh, . Amrita Srivastava, Melsvabakterių biologijos pažanga, 2020 m

16.2.1 Heterocista

Heterocistos yra funkciškai diferencijuotos ląstelės ir gana skiriasi nuo vegetatyvinių ląstelių, nes jose vyksta daug morfologinių pokyčių. Paprastai jos yra apvalios ir didesnės už vegetatyvines ląsteles, su mažiau granuliuota citoplazma, sumažėjusia pigmentacija, sustorėjusiomis ląstelių sienelėmis, lūžinėjančiais poliniais kūnais (du tarpkalarinėse heterocistose, bet vienas galinėse heterocistose) prisitvirtinimo prie kaimyninių vegetatyvinių ląstelių vietose. Poliuose yra iškilios cianoficino granulės, kurios yra azoto atsarginė medžiaga, būdinga cianobakterijoms, susidedanti iš arginino ir asparto rūgšties polimero (Simon, 1987 Allen, 1988), kartais su glutamo rūgštimi (Mcrritt ir kt., 1994). Heterocistos turi skirtingą pigmentaciją ir turi papildomą ląstelių apvalkalą. Heterocistai specifinis ląstelės apvalkalas susideda iš skirtingų sluoksnių – vidinis yra laminuotas sluoksnis, susidedantis iš glikolipido [heterocistinės glikolipido (hgl)], kitas yra homogeninis sluoksnis, susidedantis iš polisacharido [heterocistos apvalkalo polisacharidas (Hep)], o atokiausias yra pluoštinis sluoksnis, kuris tikriausiai yra nesuspaustos to paties polisacharido gijos (Cardemil ir Wolk, 1981 Nicolaisen ir kt., 2009 Flores ir Herrero, 2014). Hgl buvo identifikuoti kaip ilgos grandinės polihidroksialkoholių monoheksozido dariniai (Bryce ir kt., 1972). Juose yra keturios klasės - C26 hidroksi rūgštis arba alkoholis arba C28 dihidroksi rūgštis arba alkoholis. Šis sluoksnis, ypač glikolipidinis, sukuria pralaidumo barjerą aplink heterocistas, sumažina dujų difuziją į heterocistą, taip padeda fiksuoti azotą, palaikant mikroaerobinę aplinką. devBCA operonas kartu su į TolC panašų baltymą (HgdD) sudaro I tipo sekrecijos sistemą, dalyvaujančią glikolipidų eksporte už išorinės membranos diferencijuojamoje heterocistoje (Staron ir kt., 2011). Naujausi atradimai rodo, kad epimerazė HgdA dalyvauja hgl diolio formos sintezėje, taip kontroliuodama hgl keto-olio: diolio santykį ir tikriausiai veikia vėlyvose heterocistų vystymosi stadijose ir tiksliai sureguliuoja hgl proporciją heterocistos apvalkale (Shvarev ir kt. ., 2019). Chromosomoje iš Anabaena, keli genai, dalyvaujantys formuojant Hep sluoksnį, yra suskirstyti į „genų ekspresijos salą“, apimančią ORF. alr2825 į alr2841 ir yra sukeltos azoto trūkumo sąlygomis (Huang ir kt., 2005). Įvairūs genai, dalyvaujantys formuojant Hep, apima hepA, kuris priklauso nuo histidino kinazės baltymo HepK (Henson ir kt., 2004), hepN (alr0117) kuris koduoja histidino kinazę, kuriai trūksta jutiklio srities, hepS (visi 2760), kuris koduoja tariamai membranoje pritvirtintą Ser-Thr kinazę ir vištaR (alr1086). Be to, išjungus hepSmėlis vištaR genai, dalyvaujantys formuojant Hep sluoksnį, taip pat sumažina genų, dalyvaujančių formuojant hgl sluoksnį, pvz., hglE, ekspresiją.A (a5351 lr) (Lechno-Yossef ir kt., 2006). Homogeninis sluoksnis yra atskirtas nuo muramo rūgšties sienelės laminuotu sluoksniu. Nors muramo rūgšties turinčios ląstelės sienelė yra jautri lizocimui vegetacinėse ląstelėse, heterocistoms suteikiama apsauga nuo lizocimo. Tarpląstelinis ryšys tarp vegetatyvinės ląstelės ir heterocistų yra skersinis per mikroplazmodesmatas, kurios dar labiau palengvina maistinių medžiagų mainus. Skirtingas heterocistos bruožas yra susiaurėjusios citoplazminės srities, vadinamos „kaklais“, poliuose, kuriuose yra cianoficino kamštis (Sherman ir kt., 2000). Heterocistų diferenciacija taip pat apima struktūrinius tilakoidinių membranų pokyčius (Herrero ir kt., 2013). Subrendusiose heterocistose yra "iškreiptų" tilaoidinių membranų nei vegetatyvinių ląstelių (Braunhowland ir kt., 1988). Žymiai mažesnė fotosintezės pigmentų autofluorescencija stebima heterocituose, palyginti su vegetatyvinėmis ląstelėmis. Taip yra dėl to, kad dauguma anglies fiksavimo genų yra represuojami vykstant diferenciacijai (Bradley ir Carr, 1976 Curatti ir kt., 2006). Anksčiau buvo manoma, kad heterocistoms trūksta PSII sistemos, tačiau iš viso heterocistose buvo nustatyti devyni PSII subvienetai, įskaitant visus pagrindinius baltymus (Ow ir kt., 2009 Ekman ir kt., 2011 Sandh ir kt., 2014). Trys ypatybės skiria heterocistinę citoplazmą nuo vegetatyvinės ląstelės citoplazmos: (1) tarpląstelinės membranos pertvarkomos ir sudaro konstrukciją, vadinamą „koriu“ aplink heterocistų polius (2) glikogeno granulės ir karboksizomos (išnyksta tarpląsteliniai mikroskyriai, kuriuose yra RuBisCO). ir (3) cianoficinas [multi-l-arginil-poli (l-asparto rūgštis)] nusėda heterocistų poliuose, esančiuose greta vegetatyvinių ląstelių (Maldener ir kt., 2014).


Akademikai ir mokslininkai, dirbantys melsvadumblių, cianobakterijų aplinkos biologijos, melsvadumblių žemdirbystės ir cianobakterijų molekulinės biologijos srityse. Mikrobiologai, ekologai, fiziologai, aplinkosaugininkai, molekuliniai biologai, agronomai, farmakologai ir susiję tyrėjai, norintys dirbti melsvadumblių tyrimų srityje

1. Melsvabakterių atspaudai įvairovėje ir filogenezėje
2. Melsvabakterių įvairovė: molekulinės įžvalgos įvairiose aplinkose
3. Melsvai mėlynos bakterijos atogrąžų ir subtropikų jūros aplinkoje: įvairovė ir ekologinis vaidmuo
4. Duomenų bazės ištekliai melsvadumblių tyrimams
5. Melsvabakterių pigmentas ir jų fluorescencinės charakteristikos
6. Melsvabakterių membranų biologija streso metu, ypač atsižvelgiant į fotosintezę ir fotomorfogenezę
7. Cianobakterijos ir geležies homeostazė: sideroforų ir metalo transporterių pažanga
8. Molekuliniai chaperonai baltymų lankstymui ir streso valdymui cianobakterijose
9. Melsvabakterių genomo redagavimo įrankių dėžės: naujausia pažanga ir ateities prognozės atliekant pagrindinius ir sintetinės biologijos tyrimus
10. Pesticidų naudojimo įtaka melsvabakterių augimui ir funkcijai
11. Cianoomika: pažanga melsvadumblių omikos biologijos srityse, ypač atkreipiant dėmesį į proteomiką ir transkriptomiką
12. Dumbliai ir cianobakterijos kaip naujų bioaktyvių junginių šaltinis biomedicinoje
13. Į cianobakterijų stresą reaguojančios mažos RNR (sRNR): streso ir vystymosi atsako dalyviai
14. Melsvabakterių azoto fiksavimo fiziologiniai aspektai ir taikymas šiuolaikiniuose moksluose
15. Į mikosporiną panašios aminorūgštys (MAA) cianobakterijose: biosintezė, funkcijos ir taikymas
16. Heterocistų ir akinetų diferenciacija cianobakterijose: požiūris į melsvadumblių simbiozę
17. Melsvabakterių peroksiredoksinai ir jų vaidmuo melsvabakterių streso biologijoje
18. Cianobakterijos kaip biokuro šaltinis: naujausi pažanga ir pritaikymas
19. Melsvai mėlynos bakterijos kaip nepakeičiama sunkiųjų metalų pašalinimo iš nuotekų priemonė: pažanga biosorbcijos srityje
20. Kenksmingų melsvabakterių žydėjimo ir jų toksinų dinamika: aplinkos ir žmonių sveikatos perspektyvos bei valdymo strategijos
21. Cianobakterijos kaip nanodalelių šaltinis: taikymas ir ateities prognozės
22. Dumblių ir melsvadumblių vaidmuo bioremediacijoje: polietileno biologinio skaidymo perspektyvos
23. Cianobakterijos: galimas biologinių trąšų šaltinis ir metalinių nanodalelių sintezatorius
24. Melsvai mėlynos bakterijos: galimas vaistų nuo vėžio šaltinis
25. Cianobakterijos kaip biologinių trąšų šaltinis tvariam žemės ūkiui


Kaip gijos jaučia azoto badą

2-oksoglutaratas (2-OG) kaip metabolinis signalas

Amonio buvimas stipriai slopina heterocistų diferenciaciją, tuo tarpu nitratas paprastai yra šiek tiek mažiau slopinamas, o heterocistos paprastai būna, kai nėra fiksuoto azoto (Flores ir Herrero, 1994 Wolk ir kt., 1994 Wolk, 2000 Meeks ir Elhai, 2002). Buvo pasiūlyta, kad proteobakterijose glutamino lygis gali reikšti azoto būseną (Ikeda ir kt., 1996), tačiau melsvadumblių atveju tai nebuvo patvirtinta (Forchhammer, 2004 Herrero ir kt., 2004). Abu in vitro ir in vivo duomenys labiau palaiko idėją, kad sukaupti 2-OG (taip pat vadinami α-ketoglutaratu) kiekiai yra azoto ribojimo cianobakterijose signalas. Ilgą laiką buvo manoma, kad Krebso ciklas cianobakterijose gali būti neišsamus, nes nėra 2-OG dehidrogenazės aktyvumo (Stanier ir Cohen-Bazire, 1977). Ši idėja atitinka genomo analizes, atliktas su keliomis cianobakterijų padermėmis (Muro-Pastor ir kt., 2001 Forchhammer, 2004 Herrero ir kt., 2004). Todėl pagrindinė 2-OG funkcija yra tarnauti kaip anglies skeletas amonio asimiliacijai per glutamino sintetazės-glutamato sintazės (GS-GOGAT) ciklą (Vàzquez-Bermùdez). ir kt., 2000). Tokiu atveju 2-OG gali kauptis ląstelėse, kuriose trūksta kombinuoto azoto. Ši hipotezė atitinka duomenis, gautus matuojant 2-OG lygius vienaląstėse ir gijinėse melsvabakterijose ( Muro-Pastor ir kt., 2001 Laurent ir kt., 2005). Dirbtinai padidintas 2-OG lygis tam tikru mastu imituoja azoto badą abiejose vienaląstėse padermėse Synechococcus pailgas PCC 7942 ir heterocistą formuojanti gijinė padermė Anabaena PCC 7120 (Li ir kt., 2003 Vàzquez-Bermùdez ir kt., 2003). Pastarojoje padermėje heterocistų diferenciacija vyksta kartu su 2-OG lygio padidėjimu vidutiniškai represinėmis sąlygomis. Kadangi nė viena iš iki šiol ištirtų melsvadumblių padermių neturi 2-OG transportavimo sistemos, jos negali efektyviai įsisavinti į terpę pridėto 2-OG. Ši problema buvo elegantiškai išspręsta išreiškiant kgtP, an Escherichia coli genas, koduojantis 2-OG permeazę, in S. elongatus PCC 7942 (Vàzquez-Bermùdez ir kt., 2000). Panaši strategija buvo naudojama su Anabaena PCC 7120 (Li ir kt., 2003 ).

2-OG keto grupė dalyvauja azoto asimiliacijoje. Norėdami patikrinti, ar 2-OG yra azoto būsenos signalas in vivo, buvo susintetinta keliolika 2-OG analogų, pakeitus 2-OG keto grupę bromovinilu, brangakmenis-fluormetilo, arba chlorovinilo grupės ir kt. (Chen, 2005). Vienas iš analogų, 2,2-difluorpentandio rūgštis (DFPA), buvo labai naudingas in vivo 2-OG signalizacijos funkcijos tyrimai (Laurent ir kt., 2005). Pirma, DFPA atpažįsta ir perima kgtP ir skatina in vitro NtcA, kandidato į 2-OG jutiklį, DNR surišimo aktyvumas. Antra, fluoro buvimas leidžia atsekti DFPA likimą in vivo atliekant magiškojo angelo besisukančio branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopiją (BMR). BMR duomenys rodo, kad DFPA kaupiasi ląstelėse ir nėra metabolizuojamas. Trečia, palyginti su kitais analogais, DFPA konkuruoja labai prastai (IC50 = 13,6 mM), kai 2-OG yra 2-OG dehidrogenazės substratas (P. Ling, neskelbtini duomenys), šie duomenys rodo, kad DFPA slopina tik ribotą poveikį fermentams, naudojant 2-OG kaip substratą. In vivoDFPA neturi reikšmingos įtakos amonio įsisavinimui ir įsisavinimui. DFPA kaupimasis sukelia heterocistų vystymąsi, kai yra amonio. Šie tyrimai suteikia in vivo įrodymų, kad sukauptas 2-OG yra azoto ribojimo signalas, suaktyvinantis pagrindinius signalizacijos kelius, vedančius į heterocistų diferenciaciją (Laurent ir kt., 2005 2 pav.).

Reguliavimo grandinė gali būti susijusi su ankstyvomis heterocistų vystymosi stadijomis. Procesai ar komponentai, skatinantys heterocistų diferenciaciją, pažymėti raudonai, o slopinantys heterocistų susidarymą – juodai. NtcA ir HetR kartu sudaro pagrindinę reguliavimo kilpą, kontroliuojančią heterocistų vystymosi pradžią, todėl yra šešėlyje. Išraiška hetR ir ntcA yra autoreguliacinis (juodas ir kt., 1993 Ramasubramanas ir kt., 1996 Muro-klebonas ir kt., 2002), taip pat yra priklausomi vienas nuo kito (Muro-Pastor ir kt., 2002). CcbP veikimas gali būti priklausomas nuo azoto kontrolės (Zhao ir kt., 2005), tačiau dar nenustatyta, ar toks veiksnys kaip NtcA gali reguliuoti CcbP veikimą tiesiogiai ar per kokį nors kitą veiksnį (pažymėtą klaustuku). Nustatyta, kad per didelis raiškos lygis ccbP slopina laisvojo Ca 2+ lygio padidėjimą, kuris yra būtinas tinkamam reguliavimui hetR išraiška ( Zhao ir kt., 2005). Kur ir kaip laisvas Ca 2+ veikia, vis dar nežinoma, o kokie nors žingsniai susiję su automatiniu ir abipusiu reguliavimu. hetR-ntcA gali būti šio reguliavimo proceso tikslai. Todėl rodyklė, vaizduojanti laisvo Ca 2+ veikimą, preliminariai yra virš šešėlinės reguliavimo kilpos, kurią sudaro NtcA ir HetR. HetR būtinas išraiškai patS atsiranda besivystančiose ląstelėse, o PatS savo ruožtu gali slopinti HetR DNR surišimo aktyvumą (Huang ir kt., 2004). Sąveika, atsirandanti tarp HetR ir PatS, gali labai prisidėti prie ląstelių tipo nustatymo (Yoon ir Golden, 1998 2001 Huang ir kt., 2004 Chudyakov and Golden, 2004 Wu ir kt., 2004). Išraiška hetC yra valdomas NtcA (Muro-Pastor ir kt., 1999). Buvo įrodyta, kad hetC mutantas sugebėjo inicijuoti heterocistų diferenciaciją, bet sustojo ankstyvoje proceso stadijoje, ir kad besivystančios ląstelės per pereinamąjį etapą nesugeba pasiekti nesidalijančios būsenos (Khudyakov ir Wolk, 1997 Xu ir Wolk, 2001).

Kandidatas į 2-OG jutiklį, NtcA

Yra žinoma, kad 2-OG lygiai turi įtakos dviejų cianobakterijų baltymų, būtent PII (kurią koduoja glnB) ir NtcA (Forchhammer, 2004 m. Herrero ir kt., 2004). Naujausi eksperimentiniai duomenys rodo, kad NtcA, o ne PII, yra pagrindinis 2-OG jutiklis, atsakingas už heterocistų diferenciacijos inicijavimą (2 pav.). Padermės, turinčios mutantą glnB aleliai, koduojantys pakitusį PII baltymą, nejautrų azoto šaltinių pokyčiams, vis dar normaliai vysto heterocistas, nors heterocistos yra funkciškai sutrikusios (Laurent ir kt., 2004). Vis dar atviras klausimas, ar NtcA yra vienintelis 2-OG jutiklis inicijuojant heterocistų vystymąsi.

NtcA yra transkripcijos faktorius, priklausantis ciklinių AMP receptorių baltymų šeimai, kuri kontroliuoja daugybę genų, dalyvaujančių azoto ir anglies metabolizme (Herrero ir kt., 2004). Tai gerai išsilaikęs cianobakterijų baltymas, įskaitant vienaląstes ir kitas heterocistų nesudarančias padermes. Dvi įrodymų eilutės rodo, kad NtcA yra pagrindinis 2-OG jutiklis, dalyvaujantis inicijuojant heterocistų diferenciaciją. Pirmieji įrodymai buvo pateikti genetiniais tyrimais, rodančiais tai ntcA yra būtinas, kad prasidėtų heterocistų diferenciacija (apžvalgas žr. Golden ir Yoon, 2003 Herrero ir kt., 2004). Antrasis buvo atradimas, kad NtcA surišimo su DNR aktyvumą skatina 2-OG ir 2-OG analogas DFPA (Laurent ir kt., 2005). Be to, vienaląstėse cianobakterijose S. elongatus Vien PCC 7942, NtcA gali prisijungti prie savo tikslinių genų promotoriaus regionų ( Tanigawa ir kt., 2002 Vàzquez-Bermùdez ir kt., 2002), tačiau transkripcija neprasidės, nebent bus 2-OG (Tanigawa ir kt., 2002 ).

2-OG slenkstinės koncentracijos ir ląstelių elgsena

Amonis yra tinkamiausias azoto šaltinis cianobakterijoms, nes jis gali būti tiesiogiai pasisavinamas per GS-GOGAT ciklą, o nitratą turi redukuoti nitratų reduktazė, o nitrito reduktazė – iki amonio (Flores ir Herrero, 1994). Amonis visame pasaulyje kontroliuoja alternatyvių azoto šaltinių naudojimą, o šią kontrolę tarpininkauja NtcA (Herrero ir kt., 2004). Kai nitratas pakeičia amonį, NtcA aktyvuoja genus, susijusius su nitratų įsisavinimu ir mažinimu. Yra rimtų priežasčių manyti, kad 2-OG lygis taip pat yra susijęs su nitratų įsisavinimo ir panaudojimo reguliavimu, bent jau vienaląstės melsvabakterių padermės (Vàzquez-Bermùdez) ir kt., 2003). Jei tie patys elementai, NtcA ir 2-OG, kontroliuoja ir nitratų naudojimą, ir heterocistų vystymąsi, kaip nitratas vis tiek galėtų slopinti heterocistų vystymąsi? Vienas gana tikėtinas paaiškinimas yra pagrįstas idėja, kad 2-OG pasiekia skirtingas ląstelių koncentracijas, kurios yra slenksčiai, virš kurių suaktyvėja nitratų panaudojimas arba heterocistų susidarymas. Skirtingi tarpląsteliniai 2-OG lygiai buvo eksperimentiškai išmatuoti vienaląstėse melsvabakteriose Sinekocistis sp. PCC 6803 (Muro-Pastor ir kt., 2001) ir Anabaena PCC 7120, nors 2-OG lygio pokyčiai pastarajame organizme pasireiškė siauresniu diapazonu, nei pastebėta vienaląsčių padermių atveju (Laurent ir kt., 2005 S. Laurent, nepublikuotas. rezultatai). Esant amonio, 2-OG išlieka žemas (Muro-Pastor ir kt., 2001 Laurent ir kt., 2005). Kai nitratas yra vienintelis turimas azoto šaltinis, 2-OG pasiekia lygį, kurio gali pakakti, kad NtcA suaktyvintų genus, susijusius su nitratų įsisavinimu ir asimiliacija, bet nesuaktyvintų reguliavimo kaskados, dėl kurios susidaro heterocistos. Kai siūlams trūksta kombinuoto azoto, 2-OG kaupiasi iki aukščiausio lygio ( Muro-Pastor ir kt., 2001 Laurent ir kt., 2005) ir autoreguliacinį poveikį ntcA genų ekspresija gali dar labiau sustiprinti azoto bado signalą ir sukelti hetR (Muro pastorius ir kt., 2002), genas, reikalingas heterocistų diferenciacijai (Buikema ir Haselkorn, 1991). Kai netenkama kombinuoto azoto, genai, dalyvaujantys naudojant alternatyvius azoto šaltinius, tokius kaip nitratai, taip pat labai aktyvuojami (Cai ir Wolk, 1997). Jei yra alternatyvus azoto šaltinis, heterocistų diferenciacijos procesas gali būti atvirkštinis (2 pav.).


Filamentinės, heterocistas formuojančios melsvabakterijos yra tikras bakterijų daugialąstiškumo pavyzdys. Ląstelių dalijimosi metu susidariusios dukterinės ląstelės neatsiskiria kaip vienaląstėse bakterijose, bet lieka surištos su nesuskaidyta išorine membrana, kuri nulemia nuolatinės bendros periplazmos buvimą, ir baltyminėmis struktūromis, pertvaros jungtimis, kurios be adhezijos sudaro kanalus tarpląsteliniams mainams. metabolitų ir reguliuojančių molekulių. Be to, šios cianobakterijos gali vystytis skirtingais būdais, reaguodamos į įvairius aplinkos požymius. Vienas iš jų – azoto trūkumo sąlygomis kai kurių gijų ląstelių diferenciacija į heterocistas – ląsteles, kurios specializuojasi atmosferos azoto fiksavime.

Heterocistų diferenciacija apima daugybę morfologinių ir biocheminių pokyčių, kad azoto kompleksas galėtų efektyviai veikti, įskaitant redukuojančių ekvivalentų ir energijos tiekimą bei mikrooksinės citoplazmos konformaciją. Visi šie ląstelių pokyčiai atsiranda dėl plačios genų ekspresijos reguliavimo programos, kuri nepaprastai pasižymi tikslumu erdvėlaikiniu specifiškumu. Tiesą sakant, heterocistos yra pusiau taisyklingai pasiskirstusios, dažnai jas skiria maždaug atkarpos. 10–15 vegetatyvinių ląstelių išilgai gijos, kaip nustatyta modelio padermėje Anabaena sp. PCC 7120. Kadangi heterocistos aukoja fiksuotą azotą vegetacinėms ląstelėms, o šios atlieka fotosintezės CO fiksaciją2 ir aprūpina heterocistas sumažintu anglies kiekiu, cianobakterijų diazotrofinis siūlas atitinka pagrindinę daugialąsčių organizmų savybę, būtent darbo pasidalijimą tarp skirtingų ląstelių tipų.

Šis specialus numeris Gyvenimas apima apžvalginius ir originalius mokslinius straipsnius, susijusius su heterocistas formuojančių melsvabakterių sudėtingumu, genų ekspresijos reguliavimu heterocistų diferenciacijos metu, heterocistų modeliavimu ir tarpląsteliniu ryšiu.

Prof. dr. Antonia Herrero Moreno
Prof. dr. Enrique Flores García
Svečių redaktoriai

Informacija apie rankraščio pateikimą

Rankraščiai turi būti pateikti internetu www.mdpi.com užsiregistravus ir prisijungus prie šios svetainės. Užsiregistravę spustelėkite čia, kad patektumėte į pateikimo formą. Rankraščius galima pateikti iki nustatyto termino. Visi dokumentai bus recenzuojami. Priimti straipsniai bus nuolat skelbiami žurnale (kai tik bus priimti) ir kartu bus išvardyti specialaus leidimo svetainėje. Kviečiami moksliniai straipsniai, apžvalginiai straipsniai, taip pat trumpi pranešimai. Planuojamų straipsnių pavadinimas ir trumpa santrauka (apie 100 žodžių) gali būti siunčiami Redakcijai paskelbti šioje svetainėje.

Pateikti rankraščiai neturėjo būti paskelbti anksčiau ir neturėtų būti svarstomi skelbti kitur (išskyrus konferencijos pranešimų medžiagą). Visi rankraščiai yra nuodugniai peržiūrimi per vieną aklą tarpusavio peržiūros procesą. Vadovą autoriams ir kitą svarbią rankraščių pateikimo informaciją rasite puslapyje Instrukcijos autoriams. Gyvenimas yra tarptautinis recenzuojamas atviros prieigos mėnesinis žurnalas, leidžiamas MDPI.

Prieš pateikdami rankraštį, apsilankykite puslapyje Instrukcijos autoriams. Straipsnio apdorojimo mokestis (APC) publikavimui šiame atviros prieigos žurnale yra 1600 CHF (Šveicarijos frankų). Pateikiami dokumentai turi būti gerai suformatuoti ir naudoti gerą anglų kalbą. Autoriai gali naudotis MDPI anglų kalbos redagavimo paslauga prieš paskelbdami arba autorių peržiūros metu.


Apribota ląstelių diferenciacija cianobakterijų gijose

Nors dažniausiai laikomi paprastais organizmais, kurie auga kaip atskiros ląstelės, daugelis bakterijų gali augti kaip gijos, sudarytos iš ląstelių grandinių. Melsvadumblių, prokariotų, kurie atlieka deguonį išskiriančią fotosintezę, gijinės formos išsivystė ankstyvoje evoliucijos stadijoje (1). Sudėtingiausiose gijinėse cianobakterijose galima aptikti net keturių tipų ląsteles: vegetatyvines ląsteles, kurios atlieka deguonies fotosintezę, ir kartu CO.2 Hormogonijų ląstelių, kurios yra mažos judrios gijos, dažnai sudarytos iš mažų ląstelių akinetų, kurios yra ramybės būsenos ląstelės ir heterocistos, kurios yra galutinai diferencijuotos ląstelės, kurios specializuojasi atmosferos azoto fiksavime, fiksacija (2, 3). Melsvabakterių gijose heterocistos skiriasi nuo kai kurių vegetatyvinių ląstelių, reaguodamos į azoto trūkumą (2 ⇓ –4). Genties cianobakterijose Anabaena arba Nostoc, heterocistos išilgai gijos formuojasi tarpkalais, sudarydamos neatsitiktinį vienos heterocistos modelį iki maždaug 10–15 vegetatyvinių ląstelių. Tačiau ar bet kuri gijos ląstelė gali išsiskirti į heterocistą? PNAS, Risser ir kt. (5) pateikti įrodymus, atitinkančius mintį, kad tam tikru metu tik kai kurios kaitinimo siūlelio ląstelės gali diferencijuotis.

Nitrogenazė, fermentas, katalizuojantis N2 fiksacija, gaminanti amoniaką, yra nestabili deguoniui, tačiau heterocistos sudaro mikrooksinę aplinką jo funkcijai (2 ⇓ –4). Heterocistų diferenciacijos procesas apima specifinės genų ekspresijos programos vykdymą, apimančią reguliuojančių genų, kai kurie iš jų veikia anksti proceso pradžioje, ir genų, koduojančių baltymus heterocistos morfologinei ir biocheminei diferenciacijai, įskaitant azotogenazę, indukciją. (6). Kai iš auginimo terpės išnaudojamas kombinuoto azoto šaltinis, gijos ląstelės azoto badą jaučia kaip 2-oksoglutarato, metabolito, į kurį amoniakas yra įtrauktas per glutamino sintetazės-glutamato sintazės kelią, kiekis ląstelėse. azoto turinčios organinės medžiagos (2). 2-oksoglutaratas yra teigiamas NtcA efektorius, transkripcijos faktorius, skatinantis genų, koduojančių baltymus, asimiliacijos azoto šaltinius, alternatyvų amoniakui, pageidaujamam azoto šaltiniui, ekspresiją (2, 7). Norint konkrečiai skatinti heterocistų diferenciaciją, reikalingas kitas reguliatorius HetR, kuris, atrodo, taip pat yra transkripcijos faktorius (8). Indukcija ntcA ir hetR po azoto trūkumo yra vienas nuo kito priklausomas, sukuriant genų ekspresijos amplifikacijos kilpą (9). Taigi, po azoto trūkumo ląstelės (ar bent kai kurios ląstelės) siūlelyje patiria teigiamą atsaką į diferenciaciją. Tačiau, kadangi siūlelyje negali būti per daug heterocistų, kurios nevykdo fotosintetinės CO fiksacijos2, neigiami elementai, neutralizuojantys teigiamus reguliatorius. The patS ir hetN genai koduoja polipeptidus, turinčius konservuotą aminorūgščių seką (RGSGR), kuri slopina heterocistų diferenciaciją (10, 11). Iš PatS gautas peptidas, kurį gamina kai kurios ląstelės ankstyvoje diferenciacijos stadijoje, ir HetN arba su HetN susijęs junginys, kurį gamina subrendusios heterocistos, slopina netoliese esančių ląstelių diferenciaciją procese, kurį galima apibūdinti kaip šoninį slopinimą, kuris greičiausiai apima sąveiką su HetR (12). , 13). The interplay between positive and negative regulators appears to be widely used in the development of spatial patterns in metazoans (14), and it also plays a key role in the development of the diazotrophic cyanobacterial filament.

Investigating Nostoc punctiforme (1 pavA), a filamentous cyanobacterium capable of producing the four different cell types described earlier, Risser et al. (5) identify a gene, patN, whose mutation increases the frequency of heterocysts. Viduje konors patN mutant, vegetative cell intervals between heterocysts are shorter than in the wild type, but the distribution of heterocysts in the filaments is still nonrandom. Thus, the PatS- and HetN-dependent lateral inhibition seems to operate in the patN mutant, and inhibition of differentiation by PatS has indeed been corroborated (5). Analyzing the fluorescence from a PatN-GFP fusion protein, Risser et al. observe the protein in the periphery of the cell, consistent with a cytoplasmic membrane location, but with an uneven distribution between cells. Further, a dynamic pattern of localization was apparent (5). Before cell division, PatN-GFP localizes to one half of the cell, resulting in inheritance of PatN-GFP in only one of the two daughter cells, but both cells eventually accumulate PatN-GFP in the half of the cell proximal to the most recently formed intercellular septum. Thus, in each round of cell division, some cells result that are transiently devoid of PatN-GFP (Fig. 1B). It is postulated that PatN impedes heterocyst differentiation and that the cells lacking (or having a low concentration of) PatN are poised to differentiate if nitrogen deficiency is sensed. Thus, biased inheritance of a cell fate determinant, likely a universal theme in biology (15), would also play a role in the development of the diazotrophic cyanobacterial filament.

(A) Filaments of N. punctiforme containing photosynthetic vegetative cells and N2-fixing heterocysts (arrowheads). (Micrograph courtesy of José E. Frías, Consejo Superior de Investigaciones Cientificas, Seville, Spain.) (B) Scheme of a N. punctifome filament showing the uneven distribution and biased inheritance of PatN [after Risser et al. (5)]. PatN location in the cytoplasmic membrane is noted in orange. Cells in the filament at top are not necessarily synchronous, but cells a and b are sister cells (one without PatN, the other with PatN) resulting from a recent cell division. The patN gene is constitutive, and the PatN protein eventually localizes to the half of the cell adjacent to the most recently formed intercellular septum. After cell division 1, PatN is inherited in only one cell of each pair of daughter cells (a′ from a b′ from b), but patN is expressed and PatN is localized close to the new septa in cells a′ and a′′, as well as in cells b′ and b′′. After cell division 2, cells with and without PatN are again produced. Cells transiently devoid of PatN (after cell division 2, a′′2, a′1, b′1, and b′′2) are poised to differentiate if nitrogen starvation is sensed.

Two important questions arise. First, how is the asymmetric distribution of PatN established? Second, how does PatN impede cell differentiation? First, analyzing a transcriptional fusion of the gfp gene to the patN gene promoter, Risser et al. (5) show that the expression of patN takes place in all cells of the filament when they grow in the presence of ammonium, as well as after nitrogen deprivation. This implies that the uneven distribution of PatN in the filaments results from posttranslational regulation rather than from differential gene expression. Therefore, a mechanism for the dynamic localization of PatN resulting in an asymmetric distribution in the cyanobacterial filament is there to be uncovered. Second, by using DNA microarray analysis, the authors find that PatN affects the expression of some genes, including patA (5). Mutants of this gene form heterocysts preferentially at the filaments termini (16), and PatA is postulated to counteract the negative effects of PatS- and HetN-related regulators on heterocyst differentiation (2, 4). By performing genetic analysis, Risser et al. (5) find that patA yra epistatiškas patN (i.e., in a patA mutant, the phenotype associated with

Risser et al. now identify a factor putatively influencing biased initiation of heterocyst differentiation.

a patN mutation is not observed), which is consistent with the hypothesis that PatN acts by negatively affecting expression of patA, although other targets of PatN may also exist (5). PatN bears a predicted transmembrane segment (consistent with a cytoplasmic membrane location, as noted earlier), but has no obvious DNA binding motifs, which calls for further intermediary factors to influence gene expression.

A two-stage model of heterocyst differentiation involving biased initiation followed by competitive resolution has been previously proposed (3). Whereas experimental support for competitive resolution of cells simultaneously starting differentiation was available (10 ⇓ ⇓ –13), Risser et al. (5) now identify a factor putatively influencing biased initiation of heterocyst differentiation. Genes encoding homologues to PatN are present in all heterocyst-forming cyanobacteria for which the complete genomic sequence is available, indicating that PatN may generally participate in heterocyst differentiation. Evolution has worked producing complex organisms in the most distant phylogenetic groups, but the evidence that general principles govern the development of biological patterns in distant organisms, from cyanobacteria to metazoans, illustrates the unity that underlies diversity in biology.


Effect on heterocyst differentiation of nitrogen fixation in vegetative cells of the cyanobacterium Anabaena variabilis ATCC 29413

Heterocysts are terminally differentiated cells of some filamentous cyanobacteria that fix nitrogen for the entire filament under oxic growth conditions. Anabaena variabilis ATCC 29413 is unusual in that it has two Mo-dependent nitrogenases one, called Nif1, functions in heterocysts, while the second, Nif2, functions under anoxic conditions in vegetative cells. Both nitrogenases depended on expression of the global regulatory protein NtcA. It has long been thought that a product of nitrogen fixation in heterocysts plays a role in maintenance of the spaced pattern of heterocyst differentiation. This model assumes that each cell in a filament senses its own environment in terms of nitrogen sufficiency and responds accordingly in terms of differentiation. Expression of the Nif2 nitrogenase under anoxic conditions in vegetative cells was sufficient to support long-term growth of a nif1 mutant however, that expression did not prevent differentiation of heterocysts and expression of the nif1 nitrogenase in either the nif1 mutant or the wild-type strain. This suggested that the nitrogen sufficiency of individual cells in the filament did not affect the signal that induces heterocyst differentiation. Perhaps there is a global mechanism by which the filament senses nitrogen sufficiency or insufficiency based on the external availability of fixed nitrogen. The filament would then respond by producing heterocyst differentiation signals that affect the entire filament. This does not preclude cell-to-cell signaling in the maintenance of heterocyst pattern but suggests that overall control of the process is not controlled by nitrogen insufficiency of individual cells.

Figūros

Promoter region of nifH2 ir…

Promoter region of nifH2 and NtcA-dependent expression of Nif2. (A) Sequence of the…

Growth and heterocyst differentiation in…

Growth and heterocyst differentiation in JE994 (⧫), FD (✚), and NF76 (●) cultures…

Effect of exogenous ammonium on…

Effect of exogenous ammonium on heterocyst differentiation. Cells grown with 5.0 mM NH…

Synthesis of NifH1 and NifH2…

Synthesis of NifH1 and NifH2 proteins in cells grown under anoxic conditions. (A)…

In situ expression of nif2…

In situ expression of nif2 . Strain JE35 ( nif2 :: lacZ fusion)…


Nelson, N. & Yocum, C. F. Structure and function of photosystems I and II. Annu. Rev. Plant Biol. 57, 521–565 (2006).

Wei, X. et al. Structure of spinach photosystem II–LHCII supercomplex at 3.2 Å resolution. Gamta 534, 69–74 (2016).

van Bezouwen, L. S. et al. Subunit and chlorophyll organization of the plant photosystem II supercomplex. Nat. Augalai 3, 17080 (2017).

Umena, Y., Kawakami, K., Shen, J. R. & Kamiya, N. Crystal structure of oxygen-evolving photosystem II at a resolution of 1.9 Å. Gamta 473, 55–60 (2011).

Suga, M. et al. Native structure of photosystem II at 1.95 Å resolution viewed by femtosecond X-ray pulses. Gamta 517, 99–103 (2015).

Takahashi, Y., Koike, H. & Katoh, S. Multiple forms of chlorophyll–protein complexes from a thermophilic cyanobacterium Sinekokokas sp. Arch. Biochem Biophys. 219, 209–218 (1982).

Jordan, P. et al. Three-dimensional structure of cyanobacterial photosystem I at 2.5 Å resolution. Gamta 411, 909–917 (2001).

Su, X. et al. Structure and assembly mechanism of plant C2S2M2-type PSII–LHCII supercomplex. Mokslas 357, 815–820 (2017).

Mazor, Y., Borovikova, A., Caspy, I. & Nelson, N. Structure of the plant photosystem I supercomplex at 2.6 Å resolution. Nat. Augalai 3, 17014 (2017).

Qin, X., Suga, M., Kuang, T. & Shen, J. R. Photosynthesis. Structural basis for energy transfer pathways in the plant PSI–LHCI supercomplex. Mokslas 348, 989–995 (2015).

Mazor, Y., Nataf, D., Toporik, H. & Nelson, N. Crystal structures of virus-like photosystem I complexes from the mesophilic cyanobacterium Sinekocistis PCC 6803. eGyvenimas 3, e01496 (2013).

Pan, X. et al. Structure of the maize photosystem I supercomplex with light-harvesting complexes I and II. Mokslas 360, 1109–1113 (2018).

Malavath, T., Caspy, I., Netzer-El, S. Y., Klaiman, D. & Nelson, N. Structure and function of wild-type and subunit-depleted photosystem I in Sinekocistis. Biochim. Biofizė. Acta Bioenerg. 1859, 645–654 (2018).

Rögner, M., Mühlenhoff, U., Boekema, E. J. & Witt, H. T. Mono-, di- and trimeric PS I reaction center complexes isolated from the thermophilic cyanobacterium Sinekokokas sp. Biochim. Biofizė. Acta Bioenerg. 1015, 415–424 (1990).

Chitnis, V. P. & Chitnis, P. R. PsaL subunit is required for the formation of photosystem-I trimers in the cyanobacterium Sinekocistis sp. PCC 6803. Febs Lett. 336, 330–334 (1993).

Xu, Q. ir kt. Mutational analysis of photosystem I polypeptides in the cyanobacterium Sinekocistis sp. PCC 6803. targeted inactivation of psaI reveals the function of psaI in the structural organization of psaL. J. Biol. Chem. 270, 16243–16250 (1995).

Ben-Shem, A., Frolow, F. & Nelson, N. Light-harvesting features revealed by the structure of plant photosystem I. Photosynth Res 81, 239–250 (2004).

Nelson, N. & Ben-Shem, A. The structure of photosystem I and evolution of photosynthesis. Bioesė 27, 914–922 (2005).

Amunts, A. & Nelson, N. Functional organization of a plant photosystem I: evolution of a highly efficient photochemical machine. Augalų fiziol. Biochem. 46, 228–237 (2008).

Semchonok, D. A., Li, M., Bruce, B. D., Oostergetel, G. T. & Boekema, E. J. Cryo-EM structure of a tetrameric cyanobacterial photosystem I complex reveals novel subunit interactions. Biochim. Biofizė. Acta 1857, 1619–1626 (2016).

Li, M., Semchonok, D. A., Boekema, E. J. & Bruce, B. D. Characterization and evolution of tetrameric photosystem I from the thermophilic cyanobacterium Chrookokcidiopsis sp. TS-821. Augalinė ląstelė 26, 1230–1245 (2014).

Watanabe, M., Kubota, H., Wada, H., Narikawa, R. & Ikeuchi, M. Novel supercomplex organization of photosystem I in anabaena and cyanophora paradoxa. Augalų ląstelių fiziol. 52, 162–168 (2011).

Flores, E., Picossi, S., Valladares, A. & Herrero, A. Transcriptional regulation of development in heterocyst-forming cyanobacteria. Biochim. Biofizė. Acta Gene Regul. Mech. 1862, 673–684 (2019).

Wolk, C. P., Ernst, A. & Elhai, J. in The Molecular Biology of Cyanobacteria (ed. Bryant, D. A.) 769–823 (Springer Netherlands, 1994).

Kastner, B. et al. GraFix: sample preparation for single-particle electron cryomicroscopy. Nat. Metodai 5, 53–55 (2008).

Fromme, P., Jordan, P. & Krauss, N. Structure of photosystem I. Biochim. Biofizė. Acta 1507, 5–31 (2001).

Grotjohann, I. & Fromme, P. Structure of cyanobacterial photosystem I. Photosynth. Res. 85, 51–72 (2005).

Mizusawa, N., Sakata, S., Sakurai, I., Sato, N. & Wada, H. Involvement of digalactosyldiacylglycerol in cellular thermotolerance in Sinekocistis sp. PCC 6803. Arch. Microbiol. 191, 595–601 (2009).

Mizusawa, N., Sakurai, I., Sato, N. & Wada, H. Lack of digalactosyldiacylglycerol increases the sensitivity of Sinekocistis sp. PCC 6803 to high light stress. FEBS Lett. 583, 718–722 (2009).

Sato, N. Roles of the acidic lipids sulfoquinovosyl diacylglycerol and phosphatidylglycerol in photosynthesis: their specificity and evolution. J. Plant Res. 117, 495–505 (2004).

Domonkos, I. et al. Phosphatidylglycerol is essential for oligomerization of photosystem I reaction center. Augalų fiziol. 134, 1471–1478 (2004).

Schluchter, W. M., Shen, G., Zhao, J. & Bryant, D. A. Characterization of psaI and psaL mutants of Sinekokokas sp. strain PCC 7002: a new model for state transitions in cyanobacteria. Fotochem. Photobio. 64, 53–66 (1996).

Aspinwall, C. L., Sarcina, M. & Mullineaux, C. W. Phycobilisome mobility in the cyanobacterium Sinekokokas sp. PCC7942 is influenced by the trimerisation of photosystem I. Photosynth Res 79, 179 (2004).

Chang, L. et al. Structural organization of an intact phycobilisome and its association with photosystem II. Cell Res. 25, 726–737 (2015).

Watanabe, M. et al. Attachment of phycobilisomes in an antenna-photosystem I supercomplex of cyanobacteria. Proc. Natl Akad. Sci. JAV 111, 2512–2517 (2014).

Myers, J. Is there significant cyclic electron flow around photoreaction 1 in cyanobacteria? Photosynth. Res. 14, 55–69 (1987).

Gao, F. et al. The NDH-1L–PSI supercomplex is important for efficient cyclic electron transport in cyanobacteria. Augalų fiziol. 172, 1451–1464 (2016).

Peltier, G., Aro, E. M. & Shikanai, T. NDH-1 and NDH-2 plastoquinone reductases in oxygenic photosynthesis. Annu. Rev. Plant Biol. 67, 55–80 (2016).

Peng, L. & Shikanai, T. Supercomplex formation with photosystem I is required for the stabilization of the chloroplast NADH dehydrogenase-like complex in Arabidopsis. Augalų fiziol. 155, 1629–1639 (2011).

Kato, Y., Sugimoto, K. & Shikanai, T. NDH-PSI supercomplex assembly precedes full assembly of the NDH complex in chloroplast. Augalų fiziol. 176, 1728–1738 (2018).

Xu, M., Lv, J., Fu, P. & Mi, H. Oscillation kinetics of post-illumination increase in Chl fluorescence in cyanobacterium Sinekocistis PCC 6803. Priekyje. Plant Sci. 7, 108 (2016).

Kondo, K., Mullineaux, C. W. & Ikeuchi, M. Distinct roles of CpcG1-phycobilisome and CpcG2-phycobilisome in state transitions in a cyanobacterium Sinekocistis sp. PCC 6803. Photosynth. Res. 99, 217–225 (2009).

Deng, G., Liu, F., Liu, X. & Zhao, J. Significant energy transfer from CpcG2-phycobilisomes to photosystem I in the cyanobacterium Sinekokokas sp. PCC 7002 in the absence of ApcD-dependent state transitions. FEBS Lett. 586, 2342–2345 (2012).

Bauer, C. C., Buikema, W. J., Black, K. & Haselkorn, R. A short-filament mutant of Anabaena sp. strain PCC-7120 that fragments in nitrogen-deficient medium. J. Bakteriolis. 177, 1520–1526 (1995).

Shi, L. et al. Two genes encoding protein kinases of the HstK family are involved in synthesis of the minor heterocyst-specific glycolipid in the cyanobacterium Anabaena sp. strain PCC 7120. J. Bakteriolis. 189, 5075–5081 (2007).

Zheng, Z. G. et al. An amidase is required for proper intercellular communication in the filamentous cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120. Proc. Natl Akad. Sci. JAV 114, E1405–E1412 (2017).

Ohki, K. & Fujita, Y. Photoregulation of phycobilisome structure during complementary chromatic adaptation in the marine cyanophyte Phormidium sp. C86. J. Phycol. 28, 803–808 (1992).

Klodawska, K. et al. Elevated growth temperature can enhance photosystem I trimer formation and affects xanthophyll biosynthesis in cyanobacterium Sinekocistis sp. PCC 6803 cells. Augalų ląstelių fiziol. 56, 558–571 (2015).

Schuller, J. M. et al. Structural adaptations of photosynthetic complex I enable ferredoxin-dependent electron transfer. Mokslas 363, 257–260 (2019).

Rippka, R., Deruelles, J., Waterbury, J. B., Herdman, M. & Stanier, R. Y. Generic assignments, strain histories and properties of pure cultures of cyanobacteria. J. Gen. Microbiol. 111, 1–61 (1979).

Gibsonas, D. G. ir kt. Enzymatic assembly of DNA molecules up to several hundred kilobases. Nat. Metodai 6, 343–345 (2009).

Elhai, J. & Wolk, C. P. Conjugal transfer of DNA to cyanobacteria. Metodai Enzymol. 167, 747–754 (1988).

Zhao, W., Ye, Z. & Zhao, J. RbrA, a cyanobacterial rubrerythrin, functions as a FNR-dependent peroxidase in heterocysts in protection of nitrogenase from damage by hydrogen peroxide in Anabaena sp. PCC 7120. Mol. Microbiol. 66, 1219–1230 (2007).

Black, K., Buikema, W. J. & Haselkorn, R. The hglK gene is required for localization of heterocyst-specific glycolipids in the cyanobacterium Anabaena sp. strain PCC 7120. J. Bakteriolis. 177, 6440–6448 (1995).

Zhao, J., Shen, G. & Bryant, D. A. Photosystem stoichiometry and state transitions in a mutant of the cyanobacterium Sinekokokas sp. PCC 7002 lacking phycocyanin. Biochim. Biofizė. Acta 1505, 248–257 (2001).

Liu, X. et al. Effects of PSII manganese-stabilizing protein succinylation on photosynthesis in the model cyanobacterium Sinekokokas sp. PCC 7002. Augalų ląstelių fiziol. 59, 1466–1482 (2018).

Shikanai, T. et al. Directed disruption of the tobacco ndhB gene impairs cyclic electron flow around photosystem I. Proc. Natl Akad. Sci. JAV 95, 9705–9709 (1998).

Mastronarde, D. N. Automated electron microscope tomography using robust prediction of specimen movements. J. Struktūra. Biol. 152, 36–51 (2005).

Zheng, S. Q. et al. MotionCor2: anisotropic correction of beam-induced motion for improved cryo-electron microscopy. Nat. Metodai 14, 331–332 (2017).

Zhang, K. Gctf: real-time CTF determination and correction. J. Struktūra. Biol. 193, 1–12 (2016).

Kimanius, D., Forsberg, B. O., Scheres, S. H. & Lindahl, E. Accelerated cryo-EM structure determination with parallelisation using GPUs in RELION-2. eGyvenimas 5, e18722 (2016).

Zivanov, J. et al. New tools for automated high-resolution cryo-EM structure determination in RELION-3. eGyvenimas 7, e42166 (2018).

Kucukelbir, A., Sigworth, F. J. & Tagare, H. D. Quantifying the local resolution of cryo-EM density maps. Nat. Metodai 11, 63–65 (2014).

Pettersen, E. F. et al. UCSF Chimera: a visualization system for exploratory research and analysis. J. Kompiuteris. Chem. 25, 1605–1612 (2004).

Emsley, P., Lohkamp, B., Scott, W. G. & Cowtan, K. Features and development of coot. Acta Crystallogr. D 66, 486–501 (2010).

Adams, P. D. ir kt. PHENIX: a comprehensive python-based system for macromolecular structure solution. Acta Crystallogr. D 66, 213–221 (2010).

Chen, V. B. et al. MolProbity: all-atom structure validation for macromolecular crystallography. Acta Crystallogr. D 66, 12–21 (2010).

Cao, L.-R. ir kt. Recent developments in using molecular dynamics simulation techniques to study biomolecules. Acta Physico-Chimica Sinica 33, 1354–1365 (2017).

Peng, X., Zhang, Y., Chu, H. & Li, G. Free energy simulations with the AMOEBA polarizable force field and metadynamics on GPU platform. J. Kompiuteris. Chem. 37, 614–622 (2016).

Peng, X. et al. Accurate evaluation of ion conductivity of the gramicidin a channel using a polarizable force field without any corrections. J. Chem. Teorijos skaičiavimas. 12, 2973–2982 (2016).

Peng, X. et al. Integrating multiple accelerated molecular dynamics to improve accuracy of free energy calculations. J. Chem. Teorijos skaičiavimas. 14, 1216–1227 (2018).

Lee, J. ir kt. CHARMM-GUI input generator for NAMD, GROMACS, AMBER, OpenMM, and CHARMM/OpenMM simulations using the CHARMM36 additive force field. J. Chem. Teorijos skaičiavimas. 12, 405–413 (2016).

Klauda, J. B. et al. Update of the CHARMM all-atom additive force field for lipids: validation on six lipid types. J. Phys. Chem. B 114, 7830–7843 (2010).

Phillips, J. C. et al. Scalable molecular dynamics with NAMD. J. Kompiuteris. Chem. 26, 1781–1802 (2005).

Monticelli, L. et al. The MARTINI coarse-grained force field: extension to proteins. J. Chem. Teorijos skaičiavimas. 4, 819–834 (2008).

de Jong, D. H. et al. Improved parameters for the martini coarse-grained protein force field. J. Chem. Teorijos skaičiavimas. 9, 687–697 (2013).

van Eerden, F. J., de Jong, D. H., de Vries, A. H., Wassenaar, T. A. & Marrink, S. J. Characterization of thylakoid lipid membranes from cyanobacteria and higher plants by molecular dynamics simulations. Biochim. Biofizė. Acta 1848, 1319–1330 (2015).

de Jong, D. H. et al. Atomistic and coarse grain topologies for the cofactors associated with the photosystem II core complex. J. Phys. Chem. B 119, 7791–7803 (2015).

van der Spoel, D. et al. GROMACS: fast, flexible, and free. J. Kompiuteris. Chem. 26, 1701–1718 (2005).

Tironi, I. G., Sperb, R., Smith, P. E. & Vangunsteren, W. F. A generalized reaction field method for molecular-dynamics simulations. J. Chem. Fizik. 102, 5451–5459 (1995).

Bussi, G., Donadio, D. & Parrinello, M. Canonical sampling through velocity rescaling. J. Chem. Fizik. 126, 014101 (2007).

Parrinello, M. & Rahman, A. Polymorphic transitions in single-crystals: a new molecular-dynamics method. J. Appl. Fizik. 52, 7182–7190 (1981).

Laio, A. & Parrinello, M. Escaping free-energy minima. Proc. Natl Akad. Sci. JAV 99, 12562–12566 (2002).

Tribello, G. A., Bonomi, M., Branduardi, D., Camilloni, C. & Bussi, G. PLUMED 2: new feathers for an old bird. Comput. Fizik. Komun. 185, 604–613 (2014).


HETEROCYST FORMATION

AbstraktusHeterocysts are microaerobic, N2-fixing cells that form in a patterned array within O2-producing filamentous cyanobacteria. Structural features of heterocysts can be predicted from consideration of their physiology. This review focuses on the spacing mechanism that determines which cells will differentiate, and on the regulation of the progression of the differentiation process. Applicable genetic tools, developed primarily using Anabaena PCC 7120, but employed also with Nostoc spp., are reviewed. These tools include localization of transcription using fusions to liuksai, lac, ir gfp, and mutagenesis with oriV-containing derivatives of transposon Tn5. Mature and developing heterocysts inhibit nearby vegetative cells from differentiating genes patA, devA, hetC, ir hetMNI locus may hold keys to understanding intercellular interactions that influence heterocyst formation. Regulatory and other genes that are transcriptionally activated at different times after nitrogen stepdown have been identified, and should permit analysis of mechanisms that underlie the progression of heterocyst differentiation.


Įvadas

The formation of multicellular organisms from the assembly of single-celled ones constitutes one of the most striking and complex problems tackled by biology. The most salient feature that characterizes multicellular organisms is the presence of different cell types, in such a way that the organism associates a different function to each cell type. In each of these cellular types, only a subset of the genes that constitute the genome of the organism (genotype) are expressed, which identify the function and morphology of the cell (phenotype). The development of specialized cells involves differentiation processes, which lead to alterations in gene expression producing different phenotypes from a given genotype. These processes are highly dynamical, directed by complex regulatory networks involving cell-to-cell interactions, and often triggered by external stimuli. As a result of the differentiation processes a rich cooperative pattern involving different cell types is established, increasing the complexity and adaptability of the organism. Due to the large number of scales involved, ranging from protein binding to diffusion of specific elements throughout the organism, a correct mathematical modeling of differentiation processes and their associated pattern formation demands an integrative approach combining tools from statistical mechanics and the theory of dynamical systems (see [1, 2] for instance).

A landmark process of (prokaryotic) cellular differentiation and cooperative pattern formation is the heterocyst differentiation in cyanobacteria filaments [3, 4]. Cyanobacteria are one of the first organisms that developed multicellularity some (2–3) billion years ago [5]. These bacteria perform oxygenic photosynthesis releasing oxygen to the environment. However, nitrogenase, the enzyme that performs nitrogen fixation, is deactivated by oxygen so that nitrogen fixation cannot occur in its presence [6]. Cyanobacteria solve the incompatibility of incorporating both oxygenic photosynthesis and nitrogen fixation by separating these processes (i) temporally, such as in the unicellular Cyanothece sp. strain ATCC 51142, which presents photosynthetic activity during the day and fixes nitrogen during the night [7], or (ii) spatially, by the generation of non-photosynthetic nitrogen-fixing cells distributed along the filament and acting as nitrogen suppliers.

In the presence of combined nitrogen (such as nitrate, nitrite, ammonium or urea), most cyanobacteria (Anabaena PCC strain 7120 being the most representative example) form long filaments of photosynthetic vegetative cells. However, in the absence of combined nitrogen (cN), a subset of the vegetative cells differentiate into heterocysts, which are terminally differentiated nitrogen-fixing cells. By differentiating, heterocysts lose their photosynthetic capacity, so they require an external source of fixed carbon [8, 9]. To this aim, each forming heterocyst sends a signal, by means of the production of some substance that diffuses along the filament, to prevent the differentiation of its neighboring cells. A cooperative pattern is thus established: heterocysts provide cN to the filament while vegetative cells supply fixed carbon. As a result, heterocysts appear interspersed with around 10 vegetative cells, depending on the species, forming a semi-regular pattern that remains approximately constant regardless of cell division [10, 11]. The resulting pattern forms one of the simplest and most primitive examples of a multicellular organism as a product of the interdependence between heterocysts and vegetative cells. Interestingly, an isolated cyanobacterium does not differentiate but it first divides so that one of the descendants differentiates. This latter mechanism is crucial since (i) a sole heterocyst would lack a source of fixed carbon and (ii) it would not reproduce as it is a terminally differentiated cell [12].

Let us briefly review the previous studies on the mathematical modeling of heterocyst pattern formation. In references [13, 14] Rutenberg and coworkers analyzed a model to explain heterocyst patterns by means of the study of cN diffusion along a cyanobacterial filament. On the other hand, Gerdtzen ir kt. [15] modeled cyanobacterial filaments based on a time-discrete dynamical system incorporating the main interactions between the most important proteins that take part in heterocyst formation.

In this work, we develop a simple mathematical model by incorporating the recent experimental results on the genetic regulatory network of cyanobacteria into the theoretical machinery of system biology.

Our model connects the diffusion of combined nitrogen along the filament with the dynamical properties of the underlying genetic circuit of each single cyanobacterium, capturing both the development of heterocyst patterns and their maintenance. Furthermore, our model shows that noise plays an important role in the onset of differentiation by enabling the development of the characteristic heterocyst patterns for a wide range of model parameters. This reveals that cyanobacteria filaments have developed an efficient response to the noisy conditions that characterize the natural environment.

The work is structured as follows. First we present the main actors of the basic regulatory network and the different dynamical interactions that take place during the differentiation process. Then we develop a mathematical model for the unicellular reaction to nitrogen deprivation. Although a single cell model cannot provide a complete understanding of heterocyst formation, we analyze the main features that arise from the dynamical behavior of the system to gain insight about cell dynamics under different external conditions.

Finally, we round off the paper by introducing the spatial model consisting of a filament of cyanobacteria, each one characterized by the dynamical circuit developed previously, that interact by means of protein diffusion.