细胞分裂（cell division）是生物体中细胞增殖的过程，通过这一过程，一个母细胞（mother cell）复制其所有必要的成分，并分成两个或更多个具有相似遗传信息的子细胞（daughter cells）。细胞分裂对于维持生命活动至关重要，是所有细胞生命的基础。无论是对于单细胞生物的增长和繁殖，还是对于多细胞生物的生长、修复损伤组织和生殖都是必不可少的。

 

古细菌作为地球上最早出现的生命形式之一，其细胞分裂机制能提供关于早期生命如何增殖和演变的重要线索。通过了解古细菌的分裂方式，科学家可以更好地理解生命起源时原始细胞的复制机制，以及后来不同生物域的细胞分裂方式的演化过程。大多数古细菌使用原核微管蛋白同源物FtsZ或运输所需的内体分选复合物（ESCRT）（也称为Cdv系统）来实现细胞分裂，但这两种系统都没有得到可靠的表征，人们对于古细菌的分裂系统及其调控机制了解相对较少。

 

 

2024年3月4日，武汉大学生命科学学院杜世燊团队在Nature Microbiology（IF：30.964）上发表了题为“Widespread photosynthesis reaction centre barrel proteins are necessary for haloarchaeal cell division”的研究论文，该论文以沃氏富盐菌（Haloferax volcanii）为模型，发现了能调控细胞分裂的新型CdpB蛋白，揭示CdpB蛋白在细胞分裂过程中的作用机制，表明光合作用反应中心（PRC）桶蛋白在古菌的细胞分裂中起到重要作用，以期为深入理解细胞分裂的调控机制提供新的视角。

 

DOI: https://doi.org/10.1038/s41564-024-01615-y

 

图1.CdpB1-GFP与已知细胞分裂蛋白共定位的代表性图像（图片来自原文）

 

研究人员通过同源重组构建双元表达质粒，判断不同分裂基因能否双重表达。结果显示HVO_1691的荧光蛋白融合定位于细胞中（图1），且与已知的细胞分裂蛋白FtsZ1、FtsZ2和SepF存在荧光共定位的情况，共定位百分比可达100%。表明HVO_1691蛋白在细胞分裂中起着重要作用，并将其重命名为细胞分裂蛋白B1 (CdpB1)。

 

图2.CdpB1的缺失导致细胞分裂后形态缺陷（图片来自原文）

 

图3.去除色氨酸后cdpB1s转录水平的RT-qPCR分析（图片来自原文）

 

为了确认CdpB1参与细胞分裂，研究人员构建His标记和非标记的CdpB1缺失菌株，将其启动子替换为色氨酸诱导启动子Ptna，使其表达受色氨酸调节。在色氨酸存在下，细胞生长良好；当从培养物中去除色氨酸后，细胞逐渐变大和畸形（图2）。定量PCR逆转录（RT-qPCR）和蛋白质印迹分析证实，去除色氨酸后，cdpB1转录本和His-CdpB1蛋白水平急剧降低（图2和图3）。表明CdpB1对细胞分裂和细胞形态至关重要，降低它的表达水平导致细胞分裂及形态出现严重缺陷。

 

图4.PRC桶蛋白在盐古菌细胞分裂中广泛保守（图片来自原文）

a：PRC桶蛋白PRC桶状蛋白在Natrinema sp. J7和H. hispanica细胞中定位的代表性图像。b：CdpB1缺失的H. volcanii细胞分别与CdpB1或其同源物^NJ7GCdpB1和^HAHCdpB1互补的代表性图像。c：CdpB1同源物的缺失分别在Natrinema sp. J7和H. hispanica细胞中引起严重和中度分裂缺陷。

 

进一步研究发现，CdpB1直接与细胞分裂蛋白FtsZ的膜锚定蛋白SepF相互作用，依赖FtsZ来调控细胞分裂。CdpB1的家族成员CdpB2和CdpB3也参与细胞分裂过程，但其缺失对细胞分裂的影响不同。CdpB蛋白的同源物也参与其他盐古菌的细胞分裂，表明CdpB1蛋白的细胞分裂功能在不同物种中高度保守（图4）。比较基因组学分析和系统发育树显示，CdpB蛋白是PRC-barrel蛋白超家族的成员，含有PRC结构域，广泛分布于各种古菌分支中。值得注意的是，古菌ESCRT细胞分裂系统中的关键蛋白CdvA也含有PRC结构域，表明PRC结构域在古菌细胞分裂系统中具有广泛而保守的作用。综合分析表明，PRC蛋白家族是古菌细胞分裂系统中的重要组成部分，可能作为适配器招募其他参与细胞分裂的蛋白，在古菌细胞分裂中具有保守功能。

 

综上所述，本研究发现了一类广泛保守的古菌细胞分裂蛋白并初步揭示了其分子机制，这些发现为细胞分裂机器的演化提供了新的见解，为深入研究古菌细胞分裂机制及分裂机器的演化奠定了基础。

 

 

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（截图来自原文Data 7）

 

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