细菌形态学

细菌的形态多种多样。优化细菌适应性的适应性力量导致了特定的形态。营养吸收、运动、扩散、应激耐受性以及与其他生物的相互作用等重要的生物过程都受到形状的影响。尽管细菌物种的独特形态在许多世代中保持不变，但在细胞分裂和生命周期中会发生周期性变化，外部因素也可能改变这些变化。网状肽聚糖（PG）囊最终决定了细菌的形状。在细胞周期的任何时候，多种因素都会导致PG囊的物种特异性形状。一些形态决定因素充当细胞骨架，在空间和时间上指导生物合成复合物，而另一些则在生物合成后改变PG囊。越来越多的数据表明，形态发生机制在细菌-宿主相互作用中发挥着重要作用，包括致病性。

事实上，人们忽视了细菌结构的多样性。例如，除了众所周知的球菌、螺旋菌和杆状细菌外，还存在星形、胡须状、蛇形和分支状细菌。这些新的细菌形态确实是未确定的。细菌物种的典型形状在许多世代中保持不变，尽管它在细菌分裂和生命周期的特定限制内会定期改变。细菌形态受遗传学控制，但施加在细胞上的物理力（内部和外部）越来越被认为是形态发生的重要因素。尽管有这些影响，形状的维持必须是一个由复杂调控回路引导的主动过程，以维持多代细菌稳定的形态。突变细菌的出现已经表明，由于不同的突变，细菌形态异常。细菌形状不仅仅为细菌提供了一个形状。它有助于细菌形成多细胞聚集体，在真核宿主中定殖，捕食，运动和抵抗。因此，形态发生应被视为重要的进化和适应机制，极大地促进了原核生物的普遍性和多样性。

细菌形状的主要决定因素是肽聚糖，称为囊，它是在形成独特细菌形态中起主要作用的成分。它是一种大分子结构，本质上是聚合的，已知它围绕着细胞质膜。它已被证明是细菌包膜中唯一的固体特征，因此决定了其独特的独特形状。这种形式的肽聚糖几乎存在于所有细菌中，作为细胞质的周围膜，就像一个弹性网。虽然也有例外，但肽聚糖的骨架基本上是糖链的聚合物，它们相互交叉。N-乙酰葡糖胺基-N-乙酰胞壁酰-L-丙氨酰-D-谷氨酰-L-内消旋-二氨基庚二酰-D-丙氨酰-D-丙氨酸是这种网状肽聚糖的单体。由相同单体单元形成的结构之间的差异是由于可能影响基本亚基的辅助过程的差异，或者茎肽的氨基酸序列结构可能发生变化。这种肽聚糖的生物合成前体由酶MurA-F产生。前体是细胞质中发现的尿苷二磷酸N-乙酰葡糖胺和UDP胞壁酰五肽。

膜锚定的脂质 I 由酶 MraY 产生，它将 UDP-MurNAc-五肽与十一碳烯基磷酸结合。然后，Murg 将 GlcNAc 添加到脂质 I 中，形成向内定向的脂质 II 分子。翻转酶 MurJ 与 Amit 一起将脂质 II 转移到细胞质膜的外表面。在此过程中，已知起作用的其他蛋白质是 SEDS（形状、伸长、分裂和孢子形成）蛋白质 RodA 和 FtsW。脂质 II 的 GlcNAc-MurNAc-五肽部分被转运到细胞质膜外侧后，可被具有糖基转移酶（GT）和转肽酶（TP）活性的酶利用，这些酶分别催化线性聚合和肽交联。在聚合步骤中释放的十一碳烯基二磷酸被翻转回去，去磷酸化，并以循环方式用于转运新的前体。具有 GT 和 TP 功能的双功能蛋白无处不在，并且这两种活性的单功能表达同时存在。最近在枯草芽孢杆菌中发现了 SEDS 蛋白 RodA 是一种新的 GT 酶，并且它已显示在大肠杆菌中发挥类似的作用。参与聚合物交联的常见酶是 DD 转肽酶。这种酶被共价β-内酰胺结合抑制，并被发现是一种青霉素结合蛋白（PBP）。肽聚糖在 DD 交联中显示一个亚基茎肽中二氨基酸的第三位和 D 丙氨酸的第四位。交联可以是直接的或通过中间肽。这在原核系统中相当普遍，其中交联方法涉及特定的酶和立体化学。添加任何额外物质将导致肽聚糖层中预先存在的键同时分解，因为它已经是一个共价闭合的结构，肽聚糖水解将打破键以允许囊生长。

人们对研究导致细胞形态变化的修饰领域表现出越来越大的兴趣，这些修饰导致细菌细胞和生命周期中新结构的形成。PG 水解酶在 PG 重塑和成熟中起主要作用。这些酶整体攻击 PG 结构中的每个糖苷键和肽键。生物体可能编码许多水解酶，其中许多是冗余的（大肠杆菌有 35 种）。除了生长过程，囊具有复杂而动态的新陈代谢，涉及大量未直接参与前体整合的蛋白质。亚基老化、生长状态、营养条件、种群密度和应激反应都与变化有关。

本文还解释了在革兰氏阴性菌中，囊如何成形和转化以产生典型的细菌形态。将讨论所涉及的蛋白质以及支撑它们的机制。

细胞形状的生成

PG囊由于其共价闭合的网状结构而保持固定形状，它将其强加于细菌细胞体。由于肽聚糖纤维的弹性性质，即使存在一定的变形，囊也能保持细胞的确定形状。然而，囊缺乏定义其特定形状所需的信息和/或特征。有人提出，表观遗传结构信息编码在分子的3D排列中。即使经过如此多的研究，仍然没有确凿的证据来证明肽聚糖是细菌形状原因的这一理论。此外，对囊的最新理解对一些人来说有些令人困惑。即使旧材料预先存在的秩序（或缺乏秩序）有利于新到达前体的特定排列，这并不总是意味着普遍的形状定义功能。因此，通过这种理解，人们得出结论，尽管囊负责保持细菌的确定大小和形状，但该形状的产生仍然取决于其他生物合成复合物的一些动态和拓扑结构，而不仅仅是囊本身。

在细胞质膨胀压下封闭网络简单扩张，对成功扩大所需的新材料的纳入施加了几个基本限制。仅将到达的前体简单地附着到囊上只会导致增厚。必须采用形态发生方法来规避这些限制。在大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和霍乱弧菌中发现了一种新型肽聚糖内肽酶，它通过清除现有交叉肽来促进细菌生长。

谈到细菌，形态发生过程不仅需要周期性分裂，还需要物理扩张事件以增加个体数量。然而，如果新材料的插入和现有交联的断裂在囊的整个表面连续且均匀地发生，则发育中的结构将均匀扩张。该系统将无法自行区分新特征。为了形成除球体以外的形状，整合必须在不同区域以不同速率并在设定的时间段内发生。例如，出芽需要出芽位置的前体整合率高于其他位置。

对称二分裂是模式生物中最著名的分裂过程，它提供了一种简单直接的形状保留技术。然而，也存在替代的分裂方法。细菌分裂的非常规标准是，对遗传潜能很重要的生化成分和遗传物质都应均匀分布。必须以这样的方式控制分裂，即在子细胞满足这些要求之前，不允许进行额外的分裂。细菌物种的细胞分裂过程因细菌而异。它导致形成在生理、形状和大小方面与母细胞不同的子细胞。在这种情况下，这些子细胞或幼年细胞必须经历漫长的发育过程，才能在进入下一个分裂周期之前形成明确的所需形态。两个细胞的产生是通过细菌细胞壁的断裂。这种裂解发生的地点在细胞周期的特定阶段是确定的，这维持了细胞的完整性，这个过程称为胞质分裂。在胞质分裂和生长，即细菌细胞的扩大和分化过程中，一个共同的底物是囊，它由复合酶介导。得益于遗传学和成像工具的最新发展，负责 PG 生物合成复合物动力学和结构的因素正逐渐被揭示，如下所述。

肽聚糖合成定位和引导：细胞骨架元件

由于 PG 决定细菌细胞的形状，因此控制细胞周期中 PG 产生和分解的位置和时间至关重要。在大型、严格控制的蛋白质复合物中，细菌利用细胞骨架成分来排列参与 PG 产生和水解的蛋白质。

不依赖肽聚糖的形态决定因素

除了改变 PG 囊的形态决定因素外，还有 PG 独立的变量。细菌的额外扭曲或螺旋或扁平波形是由于周质鞭毛的存在。周质鞭毛可以改变其形状的原因是囊被它变形，反过来，囊使鞭毛变形，从而形成细胞形状。即使在非常严格的环境中，这种动态机制也能使细菌从一个地方移动或迁移到另一个地方。一些细菌，如伯氏疏螺旋体，其致病性依赖于其运动性。膜成分是另一个 PG 独立的形态因素，正如杆状的球形红细菌所确立的那样。当膜脂心磷脂减少时，球形红细菌几乎是球形的。心磷脂减少导致球形红细菌细胞形状改变的机制尚不清楚。由于其形状，心磷脂分子优先定位在膜弯曲度较大的区域，例如细胞极和细胞分裂位点。假设球形细胞含有更多心磷脂，因为球形细胞的膜弯曲形式比例高于杆状细胞。心磷脂在大肠杆菌微细胞中含量丰富，这些微细胞的膜大部分呈高度卷曲状。总之，可以说膜的成分直接或间接影响细胞的形状。

细菌细胞在其生命周期中的形状变化

在细胞周期中，几种细菌会经历剧烈的形态变化（二态性或多态性细菌）。囊的形态可以通过重塑肽聚糖生物合成复合物的时空激活模式，或通过改变细胞分裂频率相对于生长速率来改变。然而，形状修饰通常涉及细胞部分或附属物的“从头”分化，例如 Stella vacuolate 中的“点”或 Asticcaulis biprosthecum 和 Hyphomonas neptunium 中的假柄。在这些情况下，需要额外的因素来确定何时何地形成和激活新的复合物。具有这种能力的第一个形态发生元素已在 C. crescentus 和类似物种中发现。如果这些类型的形态改变需要“足够和必要的”模块化成分，那么这些元素可能是操纵生物技术重要物种形状的良好工具。

细胞周期中的形态变化

研究细胞周期中形态变化的最佳模型生物是C. crescentus，这是一种具有细胞周期依赖性形态的α-变形杆菌。在整个发育过程中，一根杆从先前有鞭毛的细胞极生长出来，使幼年有鞭毛的游动细胞呈现弯曲杆状。细胞最终不对称分裂：带柄的母细胞可能立即再次分裂，但子细胞必须首先进化成带柄细胞才能进入下一轮分裂。细胞分裂过程仅发生在带柄细胞中。这取决于MipZ、CtrA和DnaA等蛋白质的活动，以特殊的时间方式协调Z环构建和染色体分离。尽管转录调节因子TacA和StaR在茎发育中很重要，但当磷酸耗尽时，tacA和staR突变体仍然产生茎，这表明存在额外的茎调节因子。尽管已经建立了许多参与延长体复合物的因子，例如定位在茎基部的细菌蛋白和pbpc以及延长体成分rod a和mreb。但是，茎伸展的有效方法仍然未知。

Asticcacaulis 属与 C. crescentus 相关，并且像 C. crescentus 一样，在整个细胞周期中都会产生菌柄。不同的 Asticcacaulis 种类具有不同的菌柄位置：A. excentricus 有一个亚极菌柄，而 A. biprosthecum 在中细胞附近有两个双侧菌柄。另一种 α-变形杆菌，Hyphomonas neptunium，是一种具有细胞周期依赖性形状的出芽细菌。从母细胞发育而来的菌柄产生新的后代。这种细胞分裂是不对称的，与 C. crescentus 非常相似：卵球形子细胞只能在进化成带菌柄的细胞后才能分裂。这些细菌的细胞周期依赖性形态是由于 PG 在特定细胞部位的掺入，具体取决于细胞周期阶段。芽也通过菌柄尖端的重塑从菌柄中出现。需要进一步研究以完全理解控制和构建这种形态发生程序的机制。

如上例所示，对二态或多态细菌的研究为形态发生的控制和协调提供了更深入的了解。由于仅对少数具有细胞周期依赖性形态的细菌进行了研究，预计未来对该主题的研究将揭示许多额外的调控网络。

环境变化影响形态变化

环境因素的变化对细菌有显著影响。在特定情况下，多种动物会发生形态变化。这些变化可能与代谢不活跃状态、增加营养摄入的需求或避免捕食者的需求有关。细菌也可能进入一种被称为存活但不可培养的状态，这是细菌生命周期中的休眠阶段。低温暴露或任何营养限制都可能导致此阶段。在一些物种中，VBNC 形式的形成与形态变化有关。许多革兰氏阴性病原体可以在杆状和球菌状之间切换。在某些情况下，这些形态变化已与细胞包膜/细胞壁基因的调节相关联。

细菌的生长阶段也会影响细菌形态和PG拓扑结构。在静止期，大肠杆菌的严格响应控制PG合成的下调，并且囊经历各种结构修饰，包括更大的交联（包括LD-交联）和更短的链长。同样的动力学适用于霍乱弧菌，但它还表现出由非规范D-氨基酸介导的RpoS依赖性细胞壁化学编辑。在静止期，新月柄杆菌发生形态适应，导致细胞变长、变窄并呈螺旋状。另一种形态适应是新月柄杆菌（以及相关的Asticcaulis物种）在磷酸限制下菌柄显著延长。这种菌柄的延长似乎是为了增加磷酸吸收能力或将细胞体抬高到表面之上。新月柄杆菌中这些适应背后的过程尚不清楚。

多种细菌通过一种称为丝状化的机制，在环境挑战下长度显著增加，这种机制涉及停止细胞分裂同时维持细胞生长。在大肠杆菌中，SOS 响应诱导分裂抑制剂 Sula，从而导致细胞丝状化。在尿路感染期间，细胞分裂基因 damX 是尿路致病性大肠杆菌 (UPEC) 丝状化所必需的。除了丝状化之外，UPEC 在形成非运动性、杆状胞内细菌群落 (IBC) 时还会发生额外的形态变化。这些首先是侵入膀胱伞状细胞细胞质的球菌，然后进化成生长缓慢的球菌，形成更具组织的生物膜状群落（中 IBC）。在这些中 IBC 中，一小部分细胞继续发育成丝状体。球菌 UPEC 细胞最终变得有运动性并呈杆状（晚期 IBC），裂解宿主细胞并释放丝状体和运动性杆状体，用于进一步侵入邻近膀胱细胞的回合（流出和第二代 IBC）。由于每个 IBC 代表一次入侵事件，因此在这些群落中观察到的形态变化很可能是发育程序的一部分。每种形态都被认为有助于细胞内生长和未来的感染周期。