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水生所關于絲狀藍細菌細胞分裂-細胞分化間的聯動機制研究取得進展

  絲狀藍細菌(藍藻)是地球上最早出現的多細胞生物之一。很多絲狀藍細菌,如魚腥藍細菌Anabaena/Nostoc PCC 7120 (Anabaena) 可以在培養基中缺乏化合態氮源的情況下,分化出可以利用氮氣作為氮源的、執行固氮作用的特殊細胞,稱為異形胞。兩個異形胞之間一般間隔10個左右的營養細胞。營養細胞執行光合作用并由此利用二氧化碳作為碳源,異形胞執行固氮作用。兩類細胞在碳氮源上互通有無,以多細胞行為共同維持了菌絲的生長。一個多細胞的Anabaena菌絲具有顯著的有機整體的特征。異形胞失去分裂功能,菌絲生長依賴于營養細胞的分裂。 

  那么,細胞分裂和細胞(異形胞)分化,有什么內在聯系嗎?中國科學院水生生物研究所張承才研究員團隊的早期工作已經證明,異形胞分化依賴于細胞分裂過程,但遺傳學機制尚不清楚。最近,該團隊在mBio 雜志 (Wei-Yue Xing, Jing Liu, Zi-Qian Wang, Ju-Yuan Zhang, Xiaoli Zeng, Yiling Yang and Cheng-Cai Zhang. 2021.HetF protein is a new divisome component in a filamentous and developmental cyanobacterium. mBio, 12:e0138221) Environmental Microbiology雜志 (Li Wang, Tian-Cai Niu, Ana Valladares, Gui-Ming Lin, Ju-Yuan Zhang, Antonia Herrero, Wenli Chen, Cheng-Cai Zhang. 2021. The developmental regulator PatD modulates assembly of the cell-division protein FtsZ in the cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120. Env. Microbiol. 23:4823-4837同華中農業大學陳雯莉教授團隊及西班牙Sevilla大學Antonia Herrero教授團隊合作) 發表的研究成果對這一問題的理解跨出了重要一步。 

  FtsZ 是一種微管蛋白,可聚合形成細絲在細胞中間成環,啟動細菌的細胞分裂并介導分裂板肽聚糖層伴隨細胞分裂的重構異形胞是絲狀藍藻的末端分化細胞,它們失去了細胞分裂能力且其中的ftsZ基因被下調。發表于mBio 雜志的研究成果顯示異形胞發育因子HetF在某些環境條件下直接參與營養細胞的分裂,另一項發表于Environmental Microbiology的研究成果則顯示異形胞發育因子PatD可通過影響分化細胞中FtsZ的活性來調控異形胞分化。這些研究揭示了細胞分裂和異形胞分化之間存在著聯動機制,為異形胞分化研究開辟了一個新的視角。 

  發表于mBio雜志的新研究發現,異形胞發育促進因子HetF不僅參與異形胞發育也在細胞分裂中發揮重要作用,但它對細胞分裂的影響是條件依賴型的。hetF是異形胞分化所必需的一個基因,其表達模式與細胞分裂基因ftsZ相同,即在營養細胞中穩定表達,而在異形胞中下調表達。在需要hetF參與細胞分裂的培養條件下, hetF 突變體的細胞停止分裂,多個FtsZ 環可平行存在于不分裂的長細胞中;同時,細胞分裂板的肽聚糖合成停滯 (Fig. 1)HetF 是一種定位于細胞分裂板和細胞-細胞連接處的膜蛋白,通過與催化分裂板肽聚糖合成的FtsI 相互作用被招募到或穩定在細胞分裂位點。該研究首次提出HetFAnabaena細胞分裂體 (divisome)的一個組分,在某些培養條件下直接參與細胞分裂板肽聚糖的合成。 

Fig. 1 FtsZ環形成和追蹤肽聚糖合成的HADA標記。 (A) 野生型 (WT) ΔhetF中的 FtsZ 環形成。白色箭頭表示不分裂長細胞中的 FtsZ-CFP 環。(B) HADA 標記顯示的肽聚糖合成。白色箭頭表示不分裂長細胞中的 HADA 標記。 ΔhetF::ftsZ-cfp ΔhetF的細胞分裂停滯表型是通過在正常光照強度(SL30 μmol/(m2·s))下的 BG11 (NO3-) 中生長 2天誘導出來的。LL: 低光照強度7 μmol/(m2·s)比例尺,10 μm(doi: 10.1128/mBio.01382-21.) 

  發表于Environmental Microbiology雜志的新研究顯示,在異形胞中上調表達的異形胞發育抑制因子patD的失活導致營養細胞的細胞中間有更粗的FtsZ 環形成、異形胞頻率上升,而其超表達導致營養細胞中FtsZ無法聚合成環而引起細胞分裂停滯的表型,且異形胞頻率降低。在體外沉降實驗中,PatDFtsZ形成了粗且直的FtsZ束,這不同于由FtsZ單獨形成的環形聚合物 (Fig. 2)。這些結果表明,在分化細胞中,PatD可能通過干擾FtsZ的組裝來影響異形胞分化。通過改變FtsZ的活性或相對量,可以模擬patD缺失或超表達的表型。由此,該研究提出Anabaena中的FtsZ 是一種雙功能蛋白,除了參與營養細胞分裂的傳統觀點之外,也參入并調節異形胞分化。 

Fig. 2 PatDFtsZ形成的聚合物形態的影響。通過TEM觀察由純化的FtsZ (5.6 μM) 與(右圖)或不與 (左圖) 純化的 PatD (9 μM) 孵育形成的聚合物。 兩張圖片的放大倍數相同。(doi: 10.1111/1462-2920.15682.) 

  相關研究得到了中國科學院前沿科學重點研究項目 (QYZDJ-SSW-SMC016)、基金委重大研究計劃項目 (92051106)、基金委青年項目 (31800033) 和中國科學院戰略重點研究項目 (XDPB18) 的資助。 

  相關鏈接如下:https://journals.asm.org/doi/10.1128/mBio.01382-21  

                https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1462-2920.15682 

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