シアノバクテリアの細胞運命を制御する二重閾値c-di-GMP系を解明 (Study: Dual-Threshold c-di-GMP System Controls Cell Fate of a Cyanobacterium)

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2026-05-26 中国科学院(CAS)

中国科学院水生生物研究所(IHB)の張承才教授らの研究チームは、シアノバクテリア「Anabaena PCC 7120」の細胞運命が、細胞内シグナル分子c-di-GMPの“二重閾値システム”によって制御されることを明らかにした。研究成果は『PLOS Biology』に掲載された。c-di-GMPは細菌に広く存在するセカンドメッセンジャーで、細胞サイズや増殖など多様な機能を制御するが、多数の代謝酵素がどのように協調して恒常性を維持するかは不明だった。研究チームは、c-di-GMP合成・分解酵素遺伝子を段階的に欠損させた変異株を作製し、細胞内c-di-GMP濃度と生存性の関係を解析。その結果、細胞サイズ維持には通常レベルの80%、生存には50%以上のc-di-GMPが必要であることを示した。さらに13種の酵素が基礎シグナル、2種が応答リレー、1種が緊急リレーとして機能する“二重リレー型”制御機構を提案した。研究は、細菌の環境適応戦略の理解に加え、多段階制御を必要とする合成生物学システム設計への応用可能性を示している。

シアノバクテリアの細胞運命を制御する二重閾値c-di-GMP系を解明 (Study: Dual-Threshold c-di-GMP System Controls Cell Fate of a Cyanobacterium)
Cell size and cell fate regulation of a cyanobacterium (Image by IHB)

<関連情報>

複数のc-di-GMP代謝酵素に依存する二重閾値システムがシアノバクテリアの細胞運命を制御する A dual-threshold system relying on multiple c-di-GMP metabolic enzymes controls cell fate of a cyanobacterium

Qing-Xue Sun,Min Huang,Yiling Yang,Xiaoli Zeng ,Cheng-Cai Zhang
PLOS Biology  Published: April 8, 2026
DOI:https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3003750

Abstract

Cyclic-di-GMP (c-di-GMP) is a ubiquitous second messenger in bacteria and regulates a variety of cell activities. Many bacteria contain multiple enzymes involved in c-di-GMP synthesis or degradation; however, how they coordinate with each other to orchestrate c-di-GMP homeostasis remains unclear. Here, using the cyanobacterium Anabaena PCC 7120 as a model, we created cdG0 and cdGmax strains by deleting all 8 and 14 genes, respectively, that encode enzymes with c-di-GMP degradation and synthesis domains, alongside a collection of mutants with various numbers of these genes deleted. Our findings demonstrate that c-di-GMP in Anabaena not only modulates cell size but is also indispensable for cell viability. Quantitative analysis established two critical physiological thresholds in vivo: a minimal c-di-GMP level required for cell size maintenance and a lower, lethal threshold essential for survival. We show that the 16 enzymes involved in c-di-GMP turnover in Anabaena function as an electromechanical-like dual relay to control c-di-GMP dynamics, with different modules contributing to c-di-GMP homeostasis or responding as an SOS alarm when the c-di-GMP concentration drops below the lethal threshold. Both effects of c-di-GMP on cell size reduction and cell viability are mediated by the cyclic-di-GMP receptor (CdgR), depending on the amount of the c-di-GMP-free form of CdgR available because of titration by c-di-GMP in the cells. The system, with the two concentration thresholds of c-di-GMP that dictate cell size and viability, respectively, enables dynamic cellular adaptation while preventing lethal effects.

細胞遺伝子工学
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