陳吟竹-中文報告
Cannibalism by Sporulating Bacteria
Science (2003), 31:510-513
J. E. Gonz’alez-Pastor, E. C. Hobbs, and R. Losick
Speaker: 陳吟竹 commentator: 吳俊忠老師
Introduction:
Bacillus subtilus為革蘭氏陽性菌，當非致病菌的B. subtius感受到不利於生存的環境，如: high cell density, nutrition limitation等情形時，會形成內胞子(endospore)，進入休眠的狀態。而spore 形成的過程已成為研究原核系統cellular differentiation的model之一。
細菌進入sporulation扮演主要調控因子的為transcription regulatory protein, Spo0A。當細菌接收到適當訊息，藉由phosphorylay調控transcription regulatory protein, Spo0A的活性，而Spo0A為一個global regulator，可調控許多下游基因的表現，因而在sporulation起始的過程中扮演了決定性的角色1。也因此，本文作者2000年於PNAS發表的一篇文章，即以Spo0A為中心，以DNA microarray尋找在sporulation早期受到SpoA調控的gene，企圖更進一步瞭解sporulation的過程2。本文中作者發現其中的兩個operon,skf (sporulating killing factor)與sdp (sporulating delay protein),即是在sporulation的早期受到Spo0A的調控；且將其mutation會加速spore形成。
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Pskf-lacZ |
Psdp-lacZ |
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● wild-type ■ Dspo0A |
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Fig.1 skf與sdp operon的表現受到Spo0A的調控。 |
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♦ Dskf Dsdp ■ Dsdp ▲Dskf ● wild-type |
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Fig.2 skf與sdp mutation加速spore形成。 |
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Results:
（一）sporulation的早期，同一個population中，Spo0A-active cells表現skf operon，產生killing factor及pump殺死Spo0A-inactive cells。
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-IPTG |
+IPTG |
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Dskf ::Pspac-hy-skf |
● wild-type-lacZ + wild-type ▲ Dskf-lacZ + Dskf ■ Dskf-lacZ + wild-type |
D(skfABCDEF) ::Pspac-skfEF ● + IPTG (+ skfEF) ■ - IPTG (- skfEF) |
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Fig.3 skf在sporulation時產生killing factor（左、中圖）；skfEF為export pump可將killing factor送出去，並使產生killing factor的細菌可抵抗killing factor的作用（右圖）。 |
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Fig.4 wild-type在sporulation時僅部分為Spo0A-actived (因此為skf-expressed)，另一部份仍為Spo0A-inactived。 |
(二) sdp產生一個～5kD extracellular protein作為intercellular signaling factor，調控yvbA的表現；yvbA協同skf產生的killing factor，延遲spore形成。
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Pspac-hy-sdpABC::D(sdpABC)::PyvbA yvaZ-lacZ ▲ + IPTG ● - IPTG |
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Fig.5 sdp operon調控一個two gene operon, yvbA yvaZ。 |
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D(sdpABC)::PyvbA yvaZ-lacZ |
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D(sdpABC yvbA yvaZ) :: Pspac-hy-yvbA PyusLKJ-lacZ ■ + IPTG ▲- IPTG ●wild-type |
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Fig.6 sdp是藉由產生一個~5kD（左圖）的intercellular signaling factor (sdpC)調控yvbA, yvaZ（中圖）；yvbA則會調控另一個與lipid catabolism相關的operon（右圖）。 |
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1: ∆(sdpABC yvbA yvaZ) 2: ∆(sdpABC yvbA yvaZ) ::Pspac-hy-yvbA yvaZ 3: ∆(sdpABC yvbA yvaZ) ::Pspac-hy-yvbA 4: ∆(sdpABC yvbA yvaZ) ::Pspac-hy-yvaZ |
□■: D(sdpABC yvbA yvaZ skfA) :: Pspac-hy-yvbA ●○: D(sdpABC yvbA yvaZ) :: Pspac-hy-yvbA
■●:+ IPTG □○:- IPTG |
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Fig.7 yvbA即足以延遲spore形成（左圖）且與skf相關（右圖）。 |
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Conclusion:
當Bacillus subtilus受到nutrient limitation等不利生存的訊息時，藉由phosphorylay活化Spo0A以啟動sporulation。但Spo0A也會啟動skf operon產生killing factor並藉由skfEF形成的pump送出去殺死Spo0A-inactive cell。
另一方面，Spo0A啟動sdp operon，藉由intercellular signaling factor (sdpC)調控yvbA表現；YvbA在Spo0A-inactive cell中抑制sw expression進而抑制與detoxification及antibiotics resistance相關gene expression，加強skf killing factor的作用，使Spo0A-inactive cell lyse而釋出養分來供給Spo0A-active cell。YvbA在Spo0-active cell中則調控與lipid catabolism及ATP production相關的gene，而延遲sporulation的進行3。
Discussion::
1. 延遲sporulation進行的好處：
sporulation是一個相當耗能，且當其septum形成後，即無法回復的過程。若在此時，可再獲得充足的養分來源，則sporulation對細菌的生存是不利的。因此，總體而言，細菌在sporulation的早期會延遲spore形成。因此可將本文所發現的『Cannibalism』視為新的『bacterial program death』。
2. 對於研究生命科學者，本篇文章提供另一種思維，以『multicellular organism』來研究細菌。原核單細胞生物的細菌如同真核多細胞生物，也有在意義上類似apoptosis的機制，犧牲少部分細胞來維持大部分細胞的生存；並有intercellular signaling factor來調控這樣的機制。
3. 本文仍待研究之處：
a. skf如何引起Spo0A-inactive cell死亡? 如何藉由SkfEF pump將killing factor送出? 如何保護Spo0A-active cell不受killing factor傷害? Killing factor是skf的產物或skf只是regulator?
b. Killing factor只會lyse B. subtilus嗎? 在sporulation最早的時候，哪些細胞的Spo0A會被活化?是genetic program或是隨意發生的?
c. SdpC如何調控yvbA ? YvbA真的是ATPsynthatase operon的regulator? Sdp調控的twogene operon中，另一個gene, yvaZ扮演什麼樣的角色?
References:
1. P. J. Piggot (1996), Spore development in Bacillus subtilus. Curr Opin Genet Dev, 6:531-537
2. P. Fawcett, P. Eichenberger, R. Losick, and P. Youngman (2000), The transcriptional profile of early to middle sporulation in Bacillus subtilis. Proc Natl Acad Sci USA, 97:8063-8068
3. H. Engelberg-Kulka, and R. Hazan (2003), Cannibalism defy starvation and avoid sporulation. Science, 31:467-468
Cannibalism by Sporulating Bacteria.pdf