水生所在蓝藻细胞信号分子调控与生存适应机制研究上取得新进展

　　

近日，中国科学院水生生物研究所曾晓丽研究员团队在蓝藻细胞生物学研究取得重要进展。相关研究成果以“A dual-threshold system relying on multiple c-di-GMP metabolic enzymes controls cell fate of a cyanobacterium（多个环二鸟苷酸c-di-GMP代谢酶调控的c-di-GMP双阈值系统决定蓝藻细胞命运）”为题在线发表于PLoS Biology（https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3003750）。这是继该团队在PNAS和Cell Reports等杂志发表关于信使c-di-GMP介导的细胞形态调控机制（Zeng et al., PNAS?120: e2221874120, 2023, Xu et al.,?cell reports?44: 116435，2025）后，在相关领域的又一项重要成果。

环二鸟苷酸（c-di-GMP）是细菌体内普遍存在的一种第二信使，参与调控多种细胞活动。许多细菌含多个参与c-di-GMP合成或降解的酶，如霍乱弧菌（Vibrio cholerae）中高达72个，但是这些酶之间如何协同作用以维持c-di-GMP的稳态，目前仍不清楚。鱼腥藻（Anabaena）PCC 7120是一种丝状蓝细菌（图1），它拥有16个与c-di-GMP合成或降解相关的基因。为何需要这么多的酶来合成与降解同一个c-di-GMP信号分子，成了一个谜团，同样的困惑也存在于其它很多细菌中。

图1. 鱼腥藻（Anabaena）PCC 7120。左图为明视野细胞显微图片，右图为细胞分裂板的HADA标记荧光显微图片，中图为左右图的复合图。

为了理清以上问题，科研人员通过遗传学，分子生物学等手段进行解析，研究结果表明，c-di-GMP不仅能够调节细胞大小，对细胞的存活也是必须的。通过各突变体表型与c-di-GMP定量关联发现，Anabaena体内存在两个关键的c-di-GMP生理阈值：一个是维持细胞大小所需的最小c-di-GMP浓度（80%），另一个则是细胞存活所必需的更低浓度阈值（50%）。通过进一步的分子机制解析，Anabaena中参与c-di-GMP代谢的16种酶共同构成了一个类似双继电器系统的双重调控机制，从而维持c-di-GMP浓度的稳定（图2）。在这个系统中，13种酶共同构成了负责40% c-di-GMP含量的基础模块，两种酶CdgS和All1219则贡献了60% c-di-GMP的含量。另一种酶Alr3599则作为体内“SOS”应答系统在c-di-GMP浓度降至致命水平时被激活，从而恢复胞内c-di-GMP的浓度，并把细胞从濒死的边缘挽救回来。c-di-GMP对细胞大小和存活的影响最终通过环二鸟苷酸受体（CdgR）来实现。这种由c-di-GMP浓度决定的双重阈值机制，既有助于细胞实现动态适应，又能避免细胞因c-di-GMP浓度过低而死亡。

图2. 双阈值c-di-GMP继电器调控系统控制细胞的生长与存活。（详细注解请见原文）

这项研究揭示了大自然如何利用这种进化中被保留下来的高度保守的信号分子c-di-GMP来构建出能够适应特定环境条件的新型调控机制。除了有助于了解蓝细菌所采用的独特适应策略外，这一机制还为设计需要多层次调控的合成生物系统提供了理论依据，同时也为我们理解其它细菌为何存在大量c-di-GMP合成和降解的酶提供了思路。

水生所特别研究助理、博士后孙庆学为该论文第一作者，曾晓丽青年研究员和张承才研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目（32270063），中国科学院青年创新促进会项目（2022342），中国博士后科学基金项目（2023M743726）和中国科学院战略性先导科技专项（XDB0480000）的资助。