水生所在藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞分裂-細(xì)胞分化的協(xié)調(diào)機(jī)制研究中取得重要進(jìn)展
藍(lán)細(xì)菌(藍(lán)藻)在地球環(huán)境及生命進(jìn)化過程中發(fā)揮了極為關(guān)鍵的作用。直至目前它們?nèi)允堑厍蛟匮h(huán)的重要參與者。很多藍(lán)細(xì)菌(包括絲狀固氮藍(lán)細(xì)菌)可在富營養(yǎng)水體中大量繁殖并形成水華,對水體環(huán)境造成極大危害。對藍(lán)細(xì)菌基礎(chǔ)生物學(xué)機(jī)制缺乏深刻理解是解決水華治理難題的重要瓶頸之一。絲狀藍(lán)細(xì)菌是地球上最早出現(xiàn)的多細(xì)胞生物之一。很多絲狀藍(lán)細(xì)菌(如魚腥藍(lán)細(xì)菌Anabaena)具有固氮能力。環(huán)境中存在化合態(tài)氮源時,菌絲上所有細(xì)胞為不能固氮的營養(yǎng)細(xì)胞。但在缺氮時,部分營養(yǎng)細(xì)胞會分化為專一執(zhí)行固氮功能、但不具分裂能力的異形胞。中國科學(xué)院水生生物研究所張承才團(tuán)隊早期工作顯示,異形胞分化過程與細(xì)胞分裂過程緊密關(guān)聯(lián),但詳細(xì)機(jī)制尚不清楚。近日,該團(tuán)隊在PNAS雜志上發(fā)表了最新相關(guān)研究結(jié)果,為闡明該機(jī)制做出了重要貢獻(xiàn)(www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2207963119)。

圖1 HetF通過水解PatU3調(diào)控細(xì)胞分裂和異形胞分化的機(jī)制。在野生型(WT)中,細(xì)胞分裂(cell division)和異形胞分化(heterocyst formation)的抑制蛋白PatU3受到蛋白酶HetF水解作用(用剪刀表示),維持較低濃度,此時細(xì)胞分裂和異形胞分化正常進(jìn)行。在HetF缺失菌株(ΔhetF)中,PatU3得以積累到高濃度,細(xì)胞分裂和異形胞發(fā)育受到抑制。NO3- 和N2分別為含化合態(tài)氮和不含氮培養(yǎng)基。箭頭所示為異形胞。標(biāo)尺為 10 μm。
Anabaena異形胞的分化過程涉及多個調(diào)控因子,例如HetR、PatS、HetF、PatU3、HetZ、HetP等。HetF屬于半胱氨酸蛋白酶家族蛋白。盡管在20多年前人們就發(fā)現(xiàn)HetF的缺失導(dǎo)致異形胞無法形成,但背后的機(jī)理一直未被闡明。張承才團(tuán)隊去年發(fā)表的工作顯示HetF是細(xì)胞分裂體(divisome)的組分之一,它能夠在特定條件下參與細(xì)胞分裂(Xing et al., 2021. mBio)。而在本研究中,該團(tuán)隊進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)HetF作為蛋白酶,能夠特異性剪切PatU3。PatU3是異形胞分化的抑制因子,多年前由水生所徐旭東團(tuán)隊首先發(fā)現(xiàn)(Zhang et al., 2007. Mol Microbiol)。最新報道的研究還發(fā)現(xiàn)PatU3能夠抑制細(xì)胞分裂,因而也是細(xì)胞分裂的抑制因子。上述結(jié)果從生化水平揭示了HetF通過剪切PatU3以調(diào)控細(xì)胞分裂和異形胞分化的機(jī)制,顯示了HetF和PatU3在協(xié)調(diào)細(xì)胞分裂和異形胞分化中的重要意義(圖1)。
該研究成果以“A proteolytic pathway coordinates cell division and heterocyst differentiation in the cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120”為題近日發(fā)表于綜合性期刊PNAS (Xing et al, 2022. PNAS),論文第一作者為水生所特別研究助理、博士后邢偉越,通訊作者為張承才研究員。該研究得到了基金委水圈微生物驅(qū)動地球元素循環(huán)的機(jī)制重大研究計劃項目(92051106)、中科院前沿科學(xué)重點研究項目(QYZDJ-SSW-SMC016)、中科院水生所特色研究所服務(wù)項目(Y85Z061601)、湖北省博士后創(chuàng)新研究崗位項目、湖北省“武漢英才”優(yōu)秀青年人才項目和中科院特別研究助理資助項目的資助。
