国科大博士生导师张承才团队在丝状蓝细菌细胞分裂-细胞分化间的联动机制研究取得进展

  • 文/邢伟越 (中国科学院水生生物研究所)
  • 创建于 2021-09-04
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  丝状蓝细菌(蓝藻)是地球上最早出现的多细胞生物之一。很多丝状蓝细菌,如鱼腥蓝细菌Anabaena/Nostoc PCC 7120 (Anabaena) 可以在培养基中缺乏化合态氮源的情况下,分化出可以利用氮气作为氮源的、执行固氮作用的特殊细胞,称为异形胞。两个异形胞之间一般间隔10个左右的营养细胞。营养细胞执行光合作用并由此利用二氧化碳作为碳源,异形胞执行固氮作用。两类细胞在碳氮源上互通有无,以多细胞行为共同维持了菌丝的生长。一个多细胞的Anabaena菌丝具有显著的有机整体的特征。异形胞失去分裂功能,菌丝生长依赖于营养细胞的分裂。 

  那么,细胞分裂和细胞(异形胞)分化,有什么内在联系吗?水生生物研究所张承才研究员团队的早期工作已经证明,异形胞分化依赖于细胞分裂过程,但遗传学机制尚不清楚。最近,该团队在mBio 杂志 (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) 和Environmental Microbiology杂志 (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。同华中农业大学陈雯莉教授团队及西班牙Sevilla大学Antonia Herrero教授团队合作) 发表的研究成果,对这一问题的理解跨出了重要一步。 

  FtsZ是一种微管蛋白,可聚合形成细丝在细胞中间成环,启动细菌的细胞分裂并介导分裂板肽聚糖层伴随细胞分裂的重构。异形胞是丝状蓝藻的末端分化细胞,它们失去了细胞分裂能力且其中的ftsZ基因被下调。发表于mBio 杂志的研究成果显示异形胞发育因子HetF在某些环境条件下直接参与营养细胞的分裂,另一项发表于Environmental Microbiology的研究成果则显示异形胞发育因子PatD可通过影响分化细胞中FtsZ的活性来调控异形胞分化。这些研究揭示了细胞分裂和异形胞分化之间存在着联动机制,为异形胞分化研究开辟了一个新的视角。 

  发表于mBio杂志的新研究发现,异形胞发育促进因子HetF不仅参与异形胞发育也在细胞分裂中发挥重要作用,但它对细胞分裂的影响是条件依赖型的。hetF是异形胞分化所必需的一个基因,其表达模式与细胞分裂基因ftsZ相同,即在营养细胞中稳定表达,而在异形胞中下调表达。在需要hetF参与细胞分裂的培养条件下, hetF 突变体的细胞停止分裂,多个FtsZ 环可平行存在于不分裂的长细胞中;同时,细胞分裂板的肽聚糖合成停滞 (Fig. 1)。HetF 是一种定位于细胞分裂板和细胞-细胞连接处的膜蛋白,通过与催化分裂板肽聚糖合成的FtsI 相互作用被招募到或稳定在细胞分裂位点。该研究首次提出HetF是Anabaena细胞分裂体 (divisome)的一个组分,在某些培养条件下直接参与细胞分裂板肽聚糖的合成。 


Fig. 1 FtsZ环形成和追踪肽聚糖合成的HADA标记

(A) 野生型 (WT) 和ΔhetF中的 FtsZ 环形成。白色箭头表示不分裂长细胞中的 FtsZ-CFP 环

(B) HADA 标记显示的肽聚糖合成

白色箭头表示不分裂长细胞中的 HADA 标记。

ΔhetF::ftsZ-cfp 和ΔhetF的细胞分裂停滞表型是通过在正常光照强度(SL,30 μmol/(m2·s))下的 BG11 (NO3-) 中生长 2天诱导出来的

LL: 低光照强度,7 μmol/(m2·s) 比例尺,10 μm。(doi: 10.1128/mBio.01382-21.)

  发表于Environmental Microbiology杂志的新研究显示,在异形胞中上调表达的异形胞发育抑制因子patD的失活导致营养细胞的细胞中间有更粗的FtsZ 环形成、异形胞频率上升,而其超表达导致营养细胞中FtsZ无法聚合成环而引起细胞分裂停滞的表型,且异形胞频率降低。在体外沉降实验中,PatD与FtsZ形成了粗且直的FtsZ束,这不同于由FtsZ单独形成的环形聚合物 (Fig. 2)。这些结果表明,在分化细胞中,PatD可能通过干扰FtsZ的组装来影响异形胞分化。通过改变FtsZ的活性或相对量,可以模拟patD缺失或超表达的表型。由此,该研究提出Anabaena中的FtsZ 是一种双功能蛋白,除了参与营养细胞分裂的传统观点之外,也参入并调节异形胞分化。 


Fig. 2 PatD对FtsZ形成的聚合物形态的影响

通过TEM观察由纯化的FtsZ (5.6 μM) 与(右图)或不与 (左图) 纯化的 PatD (9 μM) 孵育形成的聚合物。

两张图片的放大倍数相同。(doi: 10.1111/1462-2920.15682.)

  相关研究得到了中国科学院前沿科学重点研究项目 (QYZDJ-SSW-SMC016)、基金委重大研究计划项目 (92051106)、基金委青年项目 (31800033) 和中国科学院战略重点研究项目 (XDPB18) 的资助。 

  相关链接如下:

  HetF Protein Is a New Divisome Component in a Filamentous and Developmental Cyanobacterium 

  The developmental regulator PatD modulates assembly of the cell-division protein FtsZ in the cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120 

责任编辑:张婧睿