(通讯员：董美玲）2024年 3月4 日，武汉大学生命科学学院杜世燊研究团队与美国NIH国家医学图书馆Eugene V. Koonin团队在Nature Microbiology期刊发表了题为“Widespread photosynthesis reaction centre barrel proteins are necessary for haloarchaeal cell division”的研究论文。该研究发现古菌中广泛保守的PRC-barrel蛋白是FtsZ依赖型古菌分裂机器的关键组分，并初步揭示了它们的分子机制。德国佛莱堡大学教授、美国微生物学会会士Sonja Albers团队也取得了同样的发现，以背靠背的形式发表了题为“Proteins containing photosynthetic reaction centre domains modulate FtsZ-based archaeal cell division”的论文。古菌生物学专家Daniela Barrila教授对两篇论文进行了评述，认为该发现是古菌细胞分裂领域的重要突破，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。
细胞分裂是生命体增殖的必经过程，理解该过程的发生、调控和演化机制一直是生命科学领域的前沿，也是实现细胞命运精准调控和人工合成细胞的基础。真核细胞的分裂主要由肌动蛋白（actin）和马达蛋白（myosin）形成的肌动球蛋白环（Actomyosin Ring）及内体分选复合物ESCRT（endosomal sorting complex required for transport）介导，而细菌的分裂则主要由骨架蛋白FtsZ（微管蛋白tubulin的同源物）形成的Z环（Z ring）来驱动（图1）。古菌在细胞形态与结构上和细菌相似，但在基因组复制、转录与翻译等遗传信息处理系统上更接近于真核生物，是与细菌及真核生物并列的第三种生命形式。多数古菌与细菌一样依赖FtsZ进行分裂，但一部分古菌可以像真核细胞一样通过ESCRT-III系统来完成分裂（图1）。近年来，随着古菌生态功能与开发潜力被逐渐揭示，其基本生理过程（如细胞分裂）的研究得到了前所未有的关注和重视。但是，与真核生物以及细菌相比，人们对古菌细胞分裂过程的了解还非常少，其研究才刚刚起步。
图 1. 三界生命体的分裂系统。
在细菌中，FtsZ通过在细胞中部聚合形成Z环，招募数十个分裂蛋白装配成分裂体（divisome）并引导细胞壁的合成，引起细胞膜收缩，从而将细胞分成两个子细胞。虽然多数古菌与细菌一样依赖FtsZ进行二分裂，但是大部分细菌分裂蛋白在古菌中没有同源物，迄今为止，人们仅发现了FtsZ（FtsZ1与FtsZ2）及其膜锚定蛋白SepF三个古菌分裂蛋白。因此，鉴定参与古菌细胞分裂过程的蛋白是推动该领域向前发展的关键。针对古菌细胞分裂机器组分不详，调控规律不清的现状，杜世燊研究团队以沃氏富盐菌（Haloferax volcanii）为模型，开展FtsZ依赖型古菌细胞分裂机制的研究。研究团队首先构建了沃氏富盐菌的表达文库，通过影印法（Replica plating）及细胞形态观察，筛选过量表达后造成细胞毒性并影响细胞分裂的蛋白，发现一个名为HVO_1691的蛋白在细胞中形成类似于Z环的环状结构（图2）。随后，团队发现沃氏富盐菌基因组总共编码四个HVO_1691同源蛋白，其中三个参与细胞分裂。因此，研究团队将这些参与细胞分裂的蛋白命名为Cell division protein B（CdpB1-3）。其中，CdpB1（HVO_1691）是分裂必需基因，降低它的表达水平导致细胞分裂及形态出现严重缺陷；而cdpB2和cdpB3可以被敲除，但它们的缺失分别造成显著和轻微的细胞分裂缺陷（图2）。
图 2. PRC-barrel蛋白在古菌细胞分裂过程中发挥重要作用。
研究团队进一步研究发现，CdpB1与FtsZ的膜锚定蛋白SepF直接相互作用，而且三个CdpB蛋白形成一个复合物参与细胞分裂，但作用不同。比较基因组学分析和系统发育树显示，CdpB蛋白是PRC-barrel（Photosynthesis Reaction Centre barrel）蛋白超家族的成员，广泛分布于各种古菌分支中。通过遗传学及细胞生物学实验，研究团队发现CdpB蛋白的细胞分裂功能在其它嗜盐古菌中也广泛保守。更为重要的是，分析发现，古菌ESCRT细胞分裂系统中的关键蛋白CdvA（Cell division protein A）的N-端也包含一个PRC-barrel结构域，表明PRC-barrel蛋白在大部分古菌细胞分裂过程中发挥重要的作用。基于上述发现，研究团队提出了FtsZ依赖型古菌细胞分裂机器组装的模型，并推测PRC-barrel蛋白可能在生命始祖（Last Universal Common Ancestor, LUCA）中就开始参与细胞分裂。
图3. PRC-barrel蛋白在古菌中广泛分布。
综上所述，该论文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，增进人们对古菌细胞分裂过程认识的同时，为细胞分裂机器的演化提供了新的见解，将推动古菌细胞分裂领域的发展。
武汉大学生命科学学院在读博士研究生赵闪及美国NIH国家医学图书馆Kira Makarova博士为该论文的共同第一作者，郑文超和刘雅菲等研究生深入参与了研究，杜世燊研究员与Eugene V. Koonin院士为该研究论文的共同通讯作者。武汉大学生命科学学院陈向东教授、美国堪萨斯大学医学中心Joe Lutkenhaus教授及法国巴斯德研究所Mart Krupovic教授为课题的推进提供了建设性的意见和帮助；澳大利亚科技大学Iain Duggin教授与Yan Liao助理教授、中国科学院微生物研究所向华研究员和李明研究员、英国诺丁汉大学Thorsten Allers教授、以及上海交通大学刘喜鹏副教授提供了宝贵的实验材料。该研究工作得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41564-024-01615-y
