【微信公众号：细菌趋化】

细菌利用铁浓度记忆细菌集群行为

传统上，细菌被视为是在浮游环境中分散生长的单细胞生物。随着细菌生物被膜等研究的开展，这种观点开始发生变化。在生物被膜中，大量细菌细胞在生物或非生物表面分泌胞外基质并聚集为多细胞的固着生物群落。除了形成固着聚集之外，细菌还可以在表面以多细胞的形式进行迁移扩散，称之为集群行为（swarming）。细菌的集群运动（swarming behavior）是一种多细胞的、由鞭毛驱动的、在半固体介质表面的迁移运动。表现出集群行为的细菌对抗生素具有较强的非遗传性耐药性，高度活跃的集群细菌也与大多数细菌通过降低自身新陈代谢和抑制生长抵御抗生素的策略明显不同。理解细菌的集群行为可能为解决致病菌耐药增加等挑战提供新的思路。

在细菌域内，目前已在Firmicutes、Alpha变形菌和Gamma变形菌中观察到细菌的集群运动。具有集群运动能力的细菌多具有周质鞭毛或者具有编码合成侧生鞭毛的基因。它们会在集群行为发生前在细胞表面增加鞭毛数量，合成并分泌表面活性剂。与细菌游动、表面蹭动等行为相比，集群运动具有三个特殊的表型：1）胞体延长；2）菌落呈放射状扩散；3）延滞运动。延滞现象是指将游动细菌从液体转移至半固体表面后，在菌落扩散（集群运动）之前有一段不运动的时期（图1）。如果将已经开始集群运动的细胞从一个半固体表面转移至新的半固体表面后，滞后现象便会消失。人们对这种滞后知之甚少，但它的发生表明游动细胞必须经历一个变化才能熟悉集群运动。最近，研究人员通过观测多个由单细胞开始发生的集群运动发现这种滞后现象并非是绝对的，迟滞现象的发生，以及发生的程度取决于其曾祖父代细胞的记忆。该记忆通过铁离子的浓度储存。

图1.当枯草芽孢杆菌细胞从肉汤培养物转移到半固体表面时，细菌集群运动前会出现滞后（橙色圆圈）。如果将活跃的集群细胞重新接种到新的表面（蓝色圆圈）滞后现象消失

研究人员观测接种到半固体表面的游动细胞（Planktonic cell, P细胞）或集群运动细胞（Swarming cell, S细胞）的集群能力。S细胞形成的集群菌落边缘不规则，且较大。约 20% P 细胞形成的菌落也表现出 S 菌落特征，尽管不太明显（图2A-B）。这表明 P细胞具有集群潜力，但其集群潜力呈异质性。研究人员通过稀释的方法，进一步观测接种到半固体表面的由单个P细胞发起的集群菌落（图2D），并与100个细胞或10000个细胞发起的集群菌落形态进行比较。结果表明，相较100个或10000个细胞发起的集群菌落，单个P 细胞衍生的集群菌落具有更大异质性（图2F）。较高的异质性表明在游动细胞中也存在集群能力。这些结果说明与之前认为的游动细胞必需经过一段时间适应才具备集群运动的观点不同：游动细胞中预存了集群能力。

图2. 浮游细胞中预先存在集群能力

为了探讨集群能力的异质性是随机的还是遗传的，研究人员进一步评估了单细胞后代的集群能力。起始母细胞用G0代表。在气泡图中（图 3B），每个气泡的大小代表集群菌落直径，颜色代表同一母细胞的 16 个子细胞（G1）内的差异大小。与之前的结果一致，P 细胞（P→S 数据， 图3B-D-F）的行为模式与 S 细胞（S→S 数据，图3C-E-G）明显不同：S细胞子代的集群能力较为强且均质；P细胞子代的集群能力较为异质。该结果表明S细胞保留了“集群”记忆，而P细胞中只有部分存在集群能力的记忆。研究人员进一步评估单细胞后代G4和G7代的集群能力，结果发现来自同一P细胞的G4代和来自同一S细胞的G4代细胞的集群能力都较为均质。至G7代时，无论是S细胞还是P细胞的子代都表现出了异质性。这一结果表明：母细胞存储的一些信息被传递给了子代。P细胞可继承长达四代的某种形式的记忆，到第七代时该记忆就丢失了，恢复了原来的异质性。

图3. 与群体相关的记忆存在于 P 细胞和 S 细胞中（XS：poor swarmer; M:domerate swarmer; L:efficient swarmer）

这种可持续多代的记忆的本质是什么？经过改变多种理化因子或引入各种功能基因的尝试后，研究人员发现铁稳态的改变对G0 P细胞集群能力的异质性有影响（图4）。之前的研究表明铁饥饿是引发集群行为的关键信号。研究人员进一步通过添加FeCl3或铁螯合剂（DFO）证明铁在维持集群异质性中的重要性。当添加FeCl3时，集群菌落直径变小，而当添加铁螯合剂时集群菌落变大。FepA是铁肠杆菌素的外膜转运蛋白，而 Fur 对铁摄取基因有抑制作用。与 WT 相比，ΔfepA菌株的集群能力较差，ΔFur则不具备集群能力。添加DFO和FeCl3对 ΔfepA细胞的集群能力没有任何影响（图 4C），与该突变体中铁吸收受损的事实一致。为了进一步研究铁饥饿对记忆的影响，研究人员还追踪了 DFO 处理的P 细胞WT 的G4、G7和G12子代的记忆遗传。记忆从之前的G4延长至G7（图4D ），但到G12就丢失了，这表明实验诱导的铁饥饿将高集群潜力的记忆延伸到G4之后。另一方面，过表达FepA（提高铁输入）也能够将低集群潜力的记忆延长到G12（图4E ）。这些结果表明，细胞内铁的水平是记忆的媒介，可以受到环境或遗传的控制。此外，研究人员还通过构建铁传感器和数学建模量化和解释了集群记忆的逐代传递和消失。

图4. 细胞有铁记忆

铁代谢对于生命及其进化至关重要。其代谢的变化会影响突变率，从而直接影响自然选择。根据生态位的不同，铁限制条件和富铁条件可能既有益又有害。因此，不同铁记忆状态之间的频繁切换将成为在不同环境中最大化生存的一种对冲策略。虽然低铁是集群运动的信号，但高铁是生物膜形成的信号，与生物被膜的发育呈正相关。低铁水平也与抗生素存活率的增加呈正相关，可能是因为当铁水平较低时，预计细胞损伤会较少。抗生素会触发 ROS 的产生，而高铁水平会增加 ROS，从而增加致死率。多代铁记忆将提高群体中至少某些个体在抗生素应激下的生存机会。

参考文献：

1 D. B. Kearns, A field guide to bacterial swarming motility. Nature Reviews Microbiology 8, 634-644 (2010).

2 S. Bhattacharyya et al., A heritable iron memory enables decision-making in Escherichia coli. Proceedings of the National Academy of Sciences 120 (2023).https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2309082120