水生所關於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。兩個异形胞之間一般間隔10個左右的營養細胞。營養細胞執行光合作用並由此利用二氧化碳作為碳源,异形胞執行固氮作用。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徵。异形胞失去分裂功能,菌絲生長依賴於營養細胞的分裂。

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/NostocPCC 7120(Anabaena)可以在培養基中缺乏化合態氮源的情况下,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,稱為异形胞。兩個异形胞之間一般間隔10個左右的營養細胞。營養細胞執行光合作用並由此利用二氧化碳作為碳源,异形胞執行固氮作用。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徵。异形胞失去分裂功能,菌絲生長依賴於營養細胞的分裂。

那麼,細胞分裂和細胞(异形胞)分化,有什麼內在聯系嗎?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,异形胞分化依賴於細胞分裂過程,但遺傳學機制尚不清楚。最近,該團隊在mBio雜誌(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)和Environmental Microbiology雜誌(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 cyanobacteriumAnabaenasp. PCC 7120.Env.Microbiol.23:4823-4837。同華中農業大學及西班牙Sevilla大學合作)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並介導分裂板肽聚糖層伴隨細胞分裂的重構。异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。發表於mBio雜誌的研究成果顯示异形胞發育因數HetF在某些環境條件下直接參與營養細胞的分裂,另一項發表於Environmental Microbiology的研究成果則顯示异形胞發育因數PatD可通過影響分化細胞中FtsZ的活性來調控异形胞分化。這些研究揭示了細胞分裂和异形胞分化之間存在著聯動機制,為异形胞分化研究開闢了一個新的視角。

發表於mBio雜誌的新研究發現,异形胞發育促進因數HetF不僅參與异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是异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,而在异形胞中下調表達。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環可平行存在於不分裂的長細胞中;同時,細胞分裂板的肽聚糖合成停滯(Fig. 1)。HetF是一種定位於細胞分裂板和細胞-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HetF是Anabaena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環形成和追跡肽聚糖合成的HADA標記。(A)野生型(WT)和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和ΔhetF的細胞分裂停滯錶型是通過在正常光照強度(SL,30μmol/(m2·s))下的BG11(NO3-)中生長2天誘導出來的。LL:低光照強度,7μmol/(m2·s)。比例尺,10μm。(doi: 10.1128/mBio.01382-21.)

發表於Environmental Microbiology雜誌的新研究顯示,在异形胞中上調表達的异形胞發育抑制因數patD的失活導致營養細胞的細胞中間有更粗的FtsZ環形成、异形胞頻率上升,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錶型,且异形胞頻率降低。在體外沉降實驗中,PatD與FtsZ形成了粗且直的FtsZ束,這不同於由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的組裝來影響异形胞分化。通過改變FtsZ的活性或相對量,可以類比patD缺失或超表達的錶型。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,也參入並調節异形胞分化。

Fig. 2 PatDFtsZ形成的聚合物形態的影響。通過TEM觀察由純化的FtsZ(5.6μM)與(右圖)或不與(左圖)純化的PatD(9μM)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專案(QYZDJ-SSW-SMC016)、基金委重大研究計畫專案(92051106)、基金委青年項目(31800033)和中國科學院戰略重點研究專案(XDPB18)的資助。

相關連結如下:

https://journals.asm.org/doi/10.1128/mBio.01382-21;

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

以上內容來源於【中國科學院水生生物研究所】官網:http://www.ihb.ac.cn/xwdt/kydt/202109/t20210903_6188708.html

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