科学家探索微生物细胞不对称性分裂的调控机制

常言道，龙生九子，各有不同。在微观世界中，细菌同样也存在着“生成”不同子代细胞的现象。细胞不对称性分裂（也叫极性分裂）是发生细胞分化和产生生物多样性的基础，也是引起细菌异质性耐药的重要原因。然而，细菌是如何调控生成差异化的子细胞长期以来并不清楚。

北京时间11月24日，发表于《自然-通讯》上的一项最新研究发现：微生物中的极性蛋白通过生物物理作用形成具有生理功能的无膜区域，有助于建立和调控细菌细胞的不对称性。

该成果由中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所赵国屏院士组内的赵维团队完成，博士后谭为、程思华和助理研究员李莹莹为论文第一作者和共同第一作者，赵维副研究员为通讯作者，深圳先进院为论文第一完成单位。

细胞中的“命运决定因子”

细胞极性是细胞维持自我更新、产生生物多样性的基本方式，在细胞生长、增殖、分化、发育和行使细胞功能等多个方面发挥着重要作用。这种方式广泛存在于动植物和微生物的大部分细胞中，其基本特征在于母细胞在分裂前发生细胞极化，将细胞命运决定蛋白不对称分布在细胞的新、旧两极，最终细胞不对称分裂为两个不同命运的子细胞。典型的细胞命运决定蛋白为成对存在的磷酸化信号因子。然而，“决定”细胞命运决定蛋白不对称性分布的机制是怎样，科学家们一直非常感兴趣。

由于细胞分裂过程调控网络的高度复杂性，赵国屏-赵维团队将目光聚焦在细胞分裂更加精炼的细菌上，而新月柄杆菌作为细胞发育的模式微生物已有多年的研究历史。目前已发现一些定位于细胞极的“脚手架蛋白”可以起到招募细胞命运决定蛋白，进而影响细胞极性生长的作用。

“我们对脚手架蛋白潜在的调控细胞命运决定蛋白不对称性分布的机制进行了深入探索。脚手架蛋白广泛存在于细胞中，通常能自组装形成大分子复合物，可以将目标蛋白招募到特定的细胞区域，在细胞信号转导、细胞分裂、形态发生等生物过程的空间调节中发挥作用。我们推测脚手架蛋白可能在细胞极性调控中起关键作用。”文章通讯作者赵维说道。

脚手架蛋白“结界”形成极性堡垒

受益于高分辨率成像技术和蛋白分子标记示踪技术的高速发展，科研团队在新月柄杆菌中发现一个关键脚手架蛋白PodJ特异性的聚集在细胞新极。进一步研究发现，PodJ蛋白在细胞新极的组织过程中起着“领导”作用：PodJ通过自发组装在细胞新极形成近微米级的极性堡垒，这个极性堡垒可以特异性的捕获一众“粉丝”，中间就包括新极细胞命运决定蛋白PleC等。

那么，PodJ蛋白是如何修建自己的“极性堡垒”呢？科研团队利用体内延时摄影、蛋白异源表达，以及光漂白恢复等实验证明：PodJ蛋白实际上是通过物理学概念上的“相分离”作用实现细胞内无膜区隔化的。通过对其蛋白结构域的分析发现，PodJ含有能够形成自发组装的卷曲螺旋以及大片段的无序结构。“所以，细菌细胞通过脚手架蛋白筑起了一层“结界”，这个结界内有不同于外面的蛋白组成、浓度、以及相互作用，介导了近立方微米范围内的信号传导、组织，最终导致了不同子代细胞的生成。” 赵维解释说。

团队选择了一个非极性分裂的微生物——大肠杆菌，作为异源表达平台来进一步测试PodJ蛋白要如何“领导”及“捕获”所需的蛋白种类。通过体内外实验证实，PodJ蛋白可以通过与相分离相关的两个结构域介导捕获多种不同的信号蛋白到“结界”中来。科研团队由此推测，PodJ的多功能募集能力可能来自微生物无膜区隔化，而不是传统的蛋白-蛋白相互作用。

赵国屏（左三）与赵维（左一）及课题组部分成员合影 科研团队供图

进一步，研究团队提出了一种新的微生物细胞极性调控机制，该机制涉及细菌细胞新极组装和新旧细胞极重塑。“微生物细胞区隔化”可能作为组装脚手架蛋白复合物和调节不对称细胞分裂的通用生物物理方法，类似的方法可用于人工细胞器和其他无膜生物催化室的工程化应用。

未来，研究团队将进一步利用交叉利用计算生物学和生物物理学知识，探索多个不同脚手架蛋白之间的相互作用关系，人工设计以及构建可控的细胞区隔化，应用于从头构建无膜细胞器和单细胞生命。