水生所在藍藻細胞形態(tài)和生存適應(yīng)分子機制研究上取得系列進展
近日，中國科學(xué)院水生生物研究所張承才研究員團隊以屬于同一家族的轉(zhuǎn)錄因子NtcA和DevH的功能作為突破口，在藍藻細胞形態(tài)和生存適應(yīng)分子機制研究上取得系列進展。相關(guān)研究成果分別以“Carbon metabolism shapes FtsZ levels and cell division in a cyanobacterium（藍藻碳代謝調(diào)控FtsZ水平及細胞分裂）”為題在線發(fā)表于Communications Biology（https://www.nature.com/articles/s42003-025-08849-4）、以“Functional dissection of the CRP-family transcription factor DevH and its interplay with NtcA in a cyanobacterium（藍藻中CRP家族轉(zhuǎn)錄因子DevH的功能解析及其與NtcA的相互作用）”為題，在線發(fā)表于Cell Reports (https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(25)01206-9)。
進展一(Carbon metabolism shapes FtsZ levels and cell division in a cyanobacterium)：
該進展首次在藍藻中構(gòu)建了代謝流重編程調(diào)控細胞分裂的模型，為理解原核生物細胞分裂與碳代謝之間的耦合機制提供了新視角。
細菌在多變環(huán)境中生存，必須高效協(xié)調(diào)碳代謝與能量供應(yīng)，以驅(qū)動生長、DNA復(fù)制和細胞分裂等核心生命活動。然而，這一復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的具體機制仍不清晰。在細菌分裂過程中，F(xiàn)tsZ蛋白作為關(guān)鍵的細胞分裂“分子開關(guān)”，通過形成Z-環(huán)并引導(dǎo)分裂體組裝，驅(qū)動細胞隔膜收縮。因此，揭示調(diào)控FtsZ動態(tài)的信號機制，成為理解碳代謝協(xié)調(diào)細胞分裂的核心。藍藻作為唯一能進行放氧光合作用的原核生物，其碳代謝途徑具有特殊性：依賴卡爾文-本森循環(huán)固定碳源，且其三羧酸（TCA）循環(huán)因缺乏α-酮戊二酸脫氫酶而呈“開放”狀態(tài)，代謝流分布與異養(yǎng)細菌差異顯著。盡管有研究提示營養(yǎng)條件可能影響藍藻分裂，但具體調(diào)控路徑仍不明確。那么，藍藻細胞是如何感應(yīng)細胞的代謝狀態(tài)，從而達到分裂和代謝的協(xié)調(diào)尚未可知。
針對這一空白，張承才團隊在絲狀藍藻Anabaena sp. PCC 7120的TCA途徑中引入由巴豆酰-CoA羧化酶/還原酶（Ccr）構(gòu)成的人工CO?固定模塊（PCEM）。實驗發(fā)現(xiàn)，工程株gPCEM的分裂行為隨光強變化：弱光下分裂受阻，高光下則顯著加快。進一步研究表明，高光強驅(qū)動碳代謝流增強，促使代謝物α-酮戊二酸（2-OG）含量上升，后者作為信號分子，增強了全局轉(zhuǎn)錄因子NtcA與ftsZ啟動子的結(jié)合，從而上調(diào)FtsZ表達，進而影響細胞分裂進程。
該研究首次在藍藻中勾勒出“碳代謝—酮戊二酸信號—NtcA（C/N平衡響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子）—FtsZ—細胞分裂”的調(diào)控通路，系統(tǒng)闡釋了碳代謝協(xié)調(diào)調(diào)控細胞分裂的機制，為理解光合生物代謝與分裂協(xié)同機制提供了新范式，也為合成生物學(xué)改造提供了理論依據(jù)。
本研究由水生所博士研究生冉文碩完成，曾曉麗青年研究員和張承才研究員為本文的共同通訊作者。本研究獲中國科學(xué)院基礎(chǔ)研究領(lǐng)域優(yōu)秀青年團隊項目（YSBR-015）、中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)B研究項目（XDB0480000）、國家自然科學(xué)基金重點項目（32330003）及中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會（2022342）等項目的支持。
圖1：Anabaena 中 NtcA 調(diào)節(jié) FtsZ 水平和細胞分裂的模型。A: 在標(biāo)準(zhǔn)光條件下，WT的 TCA循環(huán)以正常效率運行，碳代謝產(chǎn)物無明顯變化。NtcA 在基礎(chǔ)水平上調(diào)節(jié) FtsZ 的表達，細胞分裂正常進行，細胞形態(tài)無明顯變化。B：與標(biāo)準(zhǔn)光條件相比，在高光條件下，TCA循環(huán)的效率略有提高，這種代謝轉(zhuǎn)變提高了 NtcA 蛋白水平，進而增加了 FtsZ 的表達。FtsZ 水平的升高促進了細胞分裂速度的加快，從而導(dǎo)致細胞長度的縮短。C：在高光條件條件下，gPCEM 菌株的TCA循環(huán)表現(xiàn)出高效率，導(dǎo)致富馬酸、蘋果酸、檸檬酸和 2-氧代戊二酸（綠星表示）水平顯著升高。NtcA 和 2-OG 的積累通過轉(zhuǎn)錄因子 NtcA 增強了 ftsZ 基因的轉(zhuǎn)錄，從而在提高 FtsZ 水平方面發(fā)揮了重要作用。因此，F(xiàn)tsZ 水平的升高促進了細胞的不對稱分裂，導(dǎo)致細胞形態(tài)不規(guī)則。
進展二(Functional dissection of the CRP-family transcription factor DevH and its interplay with NtcA in a cyanobacterium)：
該進展是繼團隊2023年在PNAS上發(fā)表的DevH參與由二級信使c-di-GMP介導(dǎo)的細胞形態(tài)調(diào)控（Zeng et al.,PNAS 120?:e2221874120）后對其功能研究的又一項重要成果。
藍藻/藍細菌是古老且唯一能進行產(chǎn)氧光合作用的原核生物，一些絲狀藍藻在環(huán)境中無化合態(tài)氮源時能分化發(fā)育出異形胞來固定并同化空氣中的氮氣。在適應(yīng)復(fù)雜多變的生存環(huán)境的過程中，調(diào)控基因表達的轉(zhuǎn)錄因子起著至關(guān)重要的作用。DevH和NtcA均屬于CRP家族（cAMP receptor protein，環(huán)腺苷酸受體蛋白）轉(zhuǎn)錄因子。研究最多也較為清楚的是NtcA——作為全局性轉(zhuǎn)錄因子，它在異形胞分化，碳氮代謝平衡，光合作用和應(yīng)激響應(yīng)等多個生理過程中都發(fā)揮重要作用。盡管NtcA具有多效性和全局性調(diào)控能力，其對藍藻的生存卻不是必需的——因為ntcA突變體仍可利用銨鹽作為氮源進行生長。有報道稱devH可能是必需基因，其對異形胞的后期發(fā)育有影響。但值得注意的是，以往構(gòu)建的devH突變體并不嚴謹，devH沒有被充分下調(diào)，所以只有部分表型（僅異形胞后期發(fā)育受影響）被觀察到。DevH的真實功能尚不明確。
在前期研究中，該團隊通過構(gòu)建由嚴謹型Co2?/Zn2?誘導(dǎo)型啟動子PcoaT調(diào)控的devH條件突變體，證實了DevH在魚腥藻中的必需性，并發(fā)現(xiàn)其與環(huán)二鳥苷酸（c-di-GMP）受體蛋白CdgR相互結(jié)合，且該互作可能通過調(diào)控細胞生長與分裂相關(guān)基因，進而影響細胞形態(tài)（Zeng et al.,PNAS 120?:e2221874120）。在該基礎(chǔ)上，團隊深入挖掘，繼續(xù)突破，借助遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)及生物信息學(xué)等技術(shù)和方法，對DevH做了較為全面的解析。本研究進一步證明了devH基因在多種條件下均為藍藻生存所必需，且其對異形胞分化的影響從早期就開始了，并非如文獻所述只影響后期的成熟。通過明確直接被DevH調(diào)控的基因集合，本研究解析了DevH功能必需性的實現(xiàn)機制——通過作為全局性轉(zhuǎn)錄因子，其直接調(diào)控了如光合作用，碳氮代謝，細胞周期，異形胞分化等諸多關(guān)鍵生理活動（圖1）。DevH識別并結(jié)合的DNA上的特異性保守位點也在本研究中被鑒定，其與NtcA的DNA結(jié)合位點十分相似（圖1）。devH和ntcA的相互調(diào)控以及功能互補和加強，從而協(xié)調(diào)了一系列重要的細胞生理代謝活動。
由此可見，DevH和NtcA這兩個CRP家族轉(zhuǎn)錄因子在功能上有極大重疊，但一個是必需的，另一個只在特定條件下必需，二者必有特異之處，相較于NtcA，DevH的必需性又是如何涌現(xiàn)的呢？團隊繼續(xù)從二者的自調(diào)控及交叉調(diào)控模式、細胞內(nèi)蛋白水平、結(jié)構(gòu)差異，以及系統(tǒng)發(fā)育進化關(guān)系等多方面入手，最終回答了這個問題（圖1）。本研究結(jié)果表明，功能特異且存在重疊的同家族轉(zhuǎn)錄因子之間的協(xié)同作用，可能是藍藻在動態(tài)變化的環(huán)境中維持細胞生長與存活的重要生理機制。同時，本研究也為探討進化過程中的功能涌現(xiàn)提供了一個范例。
圖2.DevH功能必需性的實現(xiàn)及涌現(xiàn)的分子機制研究示意圖。DevH和NtcA均是CRP家族的全局性轉(zhuǎn)錄因子，二者有功能重疊性，并有相互激活作用，而在進化過程中，與NtcA相比，現(xiàn)今魚腥藻DevH出現(xiàn)了不同的自調(diào)控方式，并呈現(xiàn)明顯更高的蛋白水平，在蛋白結(jié)構(gòu)上也發(fā)生了極具意義的變化（如多出一段富含正電荷的可幫助結(jié)合DNA靶標(biāo)的E-loop，以及小分子α-酮戊二酸（2-OG）結(jié)合口袋的缺失等），這些特征加強了DevH的功能，使之成為細胞必需的轉(zhuǎn)錄因子。
水生所特別研究助理、博士后徐曉梅為該論文第一作者，曾曉麗青年研究員和張承才研究員為共同通訊作者，該研究得到了國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（32300039），國家自然科學(xué)基金重點項目（32330003），中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會項目（2022342），中國博士后科學(xué)基金項目（E21Z060102）和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（XDB0480000）的資助。?
