日本大阪大学研究生院生命机能研究科的福冈创副教授、石岛秋彦教授等人的研究团队，成功实现从单细胞层面同步观测大肠杆菌的趋向应答与胞内信号传导。相关研究成果已发在于《Science Advances》上。
图1 大肠杆菌的趋化性及趋化性系统的信号传导路径（供图：大阪大学）
大肠杆菌虽是微小的单细胞生物，却可通过趋化性系统这一信号传导系统调控鞭毛马达旋转，向适宜的生存环境移动。胞外刺激被细胞膜内的受体识别，相关信号经由磷酸化的应答调节因子传递至鞭毛马达，进而调控细胞运动。当大肠杆菌感知到有利刺激（引诱刺激）时，会抑制组氨酸激酶的活性与应答调节因子的磷酸化，从而促进鞭毛马达逆时针旋转。最终，细胞便会朝向引诱刺激方向直线游动。此外，系统会进行重置，不再对已产生应答的引诱刺激做出反应，从而停留在适宜环境中。
图2 引诱刺激下应答调节因子浓度变化与细胞应答的同步检测。
（A）检测用细胞系统；（B）检测系统；（C）结果示例。表达经YFP标记的应答调节因子、CFP标记的去磷酸化酶的细胞荧光图像；（D）附着在C所示细胞上的微珠图像；（E）C和D所示细胞的荧光强度、FRET比值、鞭毛马达旋转方向随时间的变化。（摘自论文（Science Advances 12(16):eaea7305））（供图：大阪大学）
然而，在应对刺激而发生应答的细胞中，负责信息传递的酶呈现何种动态、这种动态又与何种细胞行为相关联，此前一直不明确。
研究团队用YFP荧光标记应答调节因子、用CFP荧光标记应答调节因子的去磷酸化酶，通过测量这两种蛋白质之间的荧光共振能量转移（FRET），同步观测了引诱刺激下应答调节因子的浓度变化以及细胞的应答（鞭毛马达旋转）。
研究团队在单个活细胞中证实，鞭毛马达可灵敏响应由引诱刺激引发的应答调节因子浓度下降，以及因适应而导致的浓度恢复，并且马达对响应调节因子浓度的敏感度在刺激接收前与刺激适应后发生改变。据此，研究阐明了引诱应答过程中应答调节因子的胞内动态与细胞行为之间的关联。
致力于阐明生物的行为作用机制
福冈副教授表示：“大肠杆菌仅单个细胞便可构成独立完整的生命体。通过本次研究，我们得以从蛋白质动态变化的角度，探明细胞对化学物质产生应答行为的部分机制。今后我们将继续致力于阐明胞内生物分子的活动催生生物行为的内在原理。同时进一步拓展本研究成果，探索解析病原菌在宿主体内如何迁移、选择感染位点等感染过程机制，同时也力争研发通过调控细菌行为机理来抑制感染的全新方法”。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Science Advances
论文：Correlation of CheY-P concentration and motor behavior during attractant adaptation in single E. coli cells
URL：10.1126/sciadv.aea7305
