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細(xì)胞分裂（cell division）是生物體中細(xì)胞增殖的過(guò)程，通過(guò)這一過(guò)程，一個(gè)母細(xì)胞（mother cell）復(fù)制其所有必要的成分，并分成兩個(gè)或更多個(gè)具有相似遺傳信息的子細(xì)胞（daughter cells）。細(xì)胞分裂對(duì)于維持生命活動(dòng)至關(guān)重要，是所有細(xì)胞生命的基礎(chǔ)。無(wú)論是對(duì)于單細(xì)胞生物的增長(zhǎng)和繁殖，還是對(duì)于多細(xì)胞生物的生長(zhǎng)、修復(fù)損傷組織和生殖都是不可少的。
古細(xì)菌作為地球上最早出現(xiàn)的生命形式之一，其細(xì)胞分裂機(jī)制能提供關(guān)于早期生命如何增殖和演變的重要線索。通過(guò)了解古細(xì)菌的分裂方式，科學(xué)家可以更好地理解生命起源時(shí)原始細(xì)胞的復(fù)制機(jī)制，以及后來(lái)不同生物域的細(xì)胞分裂方式的演化過(guò)程。大多數(shù)古細(xì)菌使用原核微管蛋白同源物FtsZ或運(yùn)輸所需的內(nèi)體分選復(fù)合物（ESCRT）（也稱(chēng)為Cdv系統(tǒng)）來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分裂，但這兩種系統(tǒng)都沒(méi)有得到可靠的表征，人們對(duì)于古細(xì)菌的分裂系統(tǒng)及其調(diào)控機(jī)制了解相對(duì)較少。
2024年3月4日，武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院杜世燊團(tuán)隊(duì)在Nature Microbiology（IF：30.964）上發(fā)表了題為“Widespread photosynthesis reaction centre barrel proteins are necessary for haloarchaeal cell division"的研究論文，該論文以沃氏富鹽菌（Haloferax volcanii）為模型，發(fā)現(xiàn)了能調(diào)控細(xì)胞分裂的新型CdpB蛋白，揭示CdpB蛋白在細(xì)胞分裂過(guò)程中的作用機(jī)制，表明光合作用反應(yīng)中心（PRC）桶蛋白在古菌的細(xì)胞分裂中起到重要作用，以期為深入理解細(xì)胞分裂的調(diào)控機(jī)制提供新的視角。
圖1.CdpB1-GFP與已知細(xì)胞分裂蛋白共定位的代表性圖像（圖片來(lái)自原文）
研究人員通過(guò)同源重組構(gòu)建雙元表達(dá)質(zhì)粒，判斷不同分裂基因能否雙重表達(dá)。結(jié)果顯示HVO_1691的熒光蛋白融合定位于細(xì)胞中（圖1），且與已知的細(xì)胞分裂蛋白FtsZ1、FtsZ2和SepF存在熒光共定位的情況，共定位百分比可達(dá)100%。表明HVO_1691蛋白在細(xì)胞分裂中起著重要作用，并將其重命名為細(xì)胞分裂蛋白B1 (CdpB1)。
圖2.CdpB1的缺失導(dǎo)致細(xì)胞分裂后形態(tài)缺陷（圖片來(lái)自原文）
圖3.去除色氨酸后cdpB1s轉(zhuǎn)錄水平的RT-qPCR分析（圖片來(lái)自原文）
為了確認(rèn)CdpB1參與細(xì)胞分裂，研究人員構(gòu)建His標(biāo)記和非標(biāo)記的CdpB1缺失菌株，將其啟動(dòng)子替換為色氨酸誘導(dǎo)啟動(dòng)子Ptna，使其表達(dá)受色氨酸調(diào)節(jié)。在色氨酸存在下，細(xì)胞生長(zhǎng)良好；當(dāng)從培養(yǎng)物中去除色氨酸后，細(xì)胞逐漸變大和畸形（圖2）。定量PCR逆轉(zhuǎn)錄（RT-qPCR）和蛋白質(zhì)印跡分析證實(shí)，去除色氨酸后，cdpB1轉(zhuǎn)錄本和His-CdpB1蛋白水平急劇降低（圖2和圖3）。表明CdpB1對(duì)細(xì)胞分裂和細(xì)胞形態(tài)至關(guān)重要，降低它的表達(dá)水平導(dǎo)致細(xì)胞分裂及形態(tài)出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷。
圖4.PRC桶蛋白在鹽古菌細(xì)胞分裂中廣泛保守（圖片來(lái)自原文）
a：PRC桶蛋白PRC桶狀蛋白在Natrinema sp. J7和H. hispanica細(xì)胞中定位的代表性圖像。b：CdpB1缺失的H. volcanii細(xì)胞分別與CdpB1或其同源物NJ7GCdpB1和HAHCdpB1互補(bǔ)的代表性圖像。c：CdpB1同源物的缺失分別在Natrinema sp. J7和H. hispanica細(xì)胞中引起嚴(yán)重和中度分裂缺陷。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，CdpB1直接與細(xì)胞分裂蛋白FtsZ的膜錨定蛋白SepF相互作用，依賴(lài)FtsZ來(lái)調(diào)控細(xì)胞分裂。CdpB1的家族成員CdpB2和CdpB3也參與細(xì)胞分裂過(guò)程，但其缺失對(duì)細(xì)胞分裂的影響不同。CdpB蛋白的同源物也參與其他鹽古菌的細(xì)胞分裂，表明CdpB1蛋白的細(xì)胞分裂功能在不同物種中高度保守（圖4）。比較基因組學(xué)分析和系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)顯示，CdpB蛋白是PRC-barrel蛋白超家族的成員，含有PRC結(jié)構(gòu)域，廣泛分布于各種古菌分支中。值得注意的是，古菌ESCRT細(xì)胞分裂系統(tǒng)中的關(guān)鍵蛋白CdvA也含有PRC結(jié)構(gòu)域，表明PRC結(jié)構(gòu)域在古菌細(xì)胞分裂系統(tǒng)中具有廣泛而保守的作用。綜合分析表明，PRC蛋白家族是古菌細(xì)胞分裂系統(tǒng)中的重要組成部分，可能作為適配器招募其他參與細(xì)胞分裂的蛋白，在古菌細(xì)胞分裂中具有保守功能。
綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)了一類(lèi)廣泛保守的古菌細(xì)胞分裂蛋白并初步揭示了其分子機(jī)制，這些發(fā)現(xiàn)為細(xì)胞分裂機(jī)器的演化提供了新的見(jiàn)解，為深入研究古菌細(xì)胞分裂機(jī)制及分裂機(jī)器的演化奠定了基礎(chǔ)。
在該研究中，研究人員選擇了翌圣克隆試劑盒用于構(gòu)建表達(dá)載體、qPCR Mix用于基因表達(dá)情況分析、高保真酶用于擴(kuò)增目的片段。
（截圖來(lái)自原文Data 7）
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