​Nat Micro 封面丨中澳科学家发现一种全新的细胞分裂机制——古菌双重FtsZ系统

责编 | 酶美

细胞分裂是维持所有生命体的最基本最核心的过程，也是生命体进化的基础。在真核生物中，微管蛋白作为细胞骨架的重要组成部分参与细胞分裂。在细菌中，细胞分裂主要由微管蛋白的同源蛋白，一种名为 “FtsZ” 的蛋白介导。自从FtsZ蛋白被发现以来，FtsZ就作为细菌细胞分裂的热点话题，用以研究微生物体的分裂机制。FtsZ蛋白在细胞分裂位点（比如杆状细菌的中间位置）形成一种环状结构（Z-环），并募集几十种其他分裂所需要的蛋白形成一种蛋白复合体，为整个分裂过程提供了支架 【1，2】。在Z-环内，FtsZ在细胞质膜内表面附近以GTP依赖性方式动态聚合，向内引导细胞壁肽聚糖的合成以驱动细胞收缩，并且对膜收缩可能也有直接影响【3，4】。

目前对细菌以及真核生物的细胞分裂过程和机制研究地比较透彻，然而古菌作为地球生命的第三种形式，在极端环境，海洋，土壤，以及人体内都有广泛分布，其细胞分裂的研究还处于初级阶段。古菌在细胞形态等方面与细菌类似，但其在基因组复制、转录与翻译等遗传信息传递系统方面却更接近真核生物， 那么要解锁细胞分裂的共同秘密，需要深入了解古菌的细胞分裂模式。

4月26日，来自澳大利亚悉尼科技大学的Iain Duggin团队在Nature Microbiology上发表了一篇题为 Cell division in the archaeon Haloferax volcanii relies on two FtsZ proteins with distinct functions in division ring assembly and constriction 的研究成果 【5月封面文章】。这项研究发现，不同于大多数细菌拥有单一的FtsZ蛋白，大多数古菌有两个不同的FtsZ蛋白且它们来自细胞骨架蛋白的两个不同家族；另外，参与细菌细胞分裂的其他同源蛋白似乎在古菌中并不存在，这就说明古菌虽然细胞形态结构与古菌相似，但是其分裂机制却有很大不同。这项研究首次利用古菌模式生物-嗜盐古菌Haloferax volcanii，揭示了两个不同FtsZ蛋白在细胞分裂中的功能，并提出了一种新的古菌细胞分裂的模式， 对于深入理解细胞分裂和早期细胞进化具有重要意义。

作者验证了古菌中的两个FtsZ蛋白对细胞分裂有关键作用。例如，无论敲除单个FtsZ基因还是同时敲除两个FtsZ基因，细胞都不能正常分裂， 但是却可以继续存活（图1）。这说明古菌中两个FtsZ蛋白（FtsZ1和FtsZ2）对细胞分裂起决定作用，但却不是维持细胞生长的必要蛋白。这与绝大多数细菌中单一FtsZ蛋白是维持细胞生长的必需蛋白有很大不同（即在这些细菌中，敲除FtsZ基因即导致细胞致死）。另外作者发现具有细胞分裂缺陷的这些突变体（比如FtsZ1FtsZ2双敲除突变体细胞）展现出极不平滑且很粗糙的细胞表面形态，说明这种古菌的细胞表面有极强的可塑性（图1）。有趣的是，在这些无法正常分裂的细胞中，经常可以观察到一种以出芽，或者极性裂变，碎片化的非正常分裂方式，并产生出许多很小的细胞颗粒或者短片段，这种非正常的分裂形式可能有助于当细胞无法进行正常分裂的时候维持细胞增殖。

作者通过对两个FtsZ蛋白在细胞中的高表达进一步研究它们在细胞分裂中的功能。FtsZ1在细胞中的高表达可导致细胞体积变大，并且细胞经常在一端或者两端上呈现一种类似杆状或者锥形的形态，这是一种低效率或者调控不当的细胞分裂。然而FtsZ2在细胞中的高表达导致了细胞体积的缩小，且细胞形态没有发生变化，说明FtsZ2在细胞分裂中主要起促进作用。通过蛋白定位的研究方法，作者发现与细菌单一FtsZ蛋白类似，古菌的FtsZ1和FtsZ2能够定位在即将发生分裂的细胞中间形成带状（环状）结构（图2）。通过三维结构光照明显微镜（3D-SIM）获得古菌FtsZ1的超分辨率图像（图2）：与细菌FtsZ蛋白所形成的Z-环外观相似，古菌FtsZ1也形成了斑片状，不连续或者短的螺旋环状结构。

作者通过进一步研究FtsZ1和FtsZ2在细胞定位和组装环状结构上的彼此依赖性，展示了古菌FtsZ1和FtsZ2均可位于分裂位点形成环状结构，但是却行使不同的功能进行细胞分裂。FtsZ1可以不依赖于FtsZ2形成环状结构，并能促进并稳定FtsZ2在环状结构中；然而FtsZ2在收缩过程中起至关重要的作用，并且FtsZ2蛋白的组装，定位和稳定性需要依赖FtsZ1的存在发挥正常功能（图3）。

作者通过该项研究引入了细胞分裂的一种新的模式：大多数古菌使用两个不同的FtsZ蛋白形成环状结构并作用于其细胞表面柔性包膜（由一层表面蛋白质组成，S-层蛋白）上介导细胞分裂，这与细菌使用单个FtsZ形成环状结构作用于细胞壁上（由肽聚糖共价结合）并促使细胞壁向内收缩以完成分裂有显著不同。在这里古菌的FtsZ1蛋白在细胞分裂位点创建一个支架或平台，充当枢纽或地标用以募集并稳定参与细胞分裂，维持细胞形态和包膜合成的蛋白复合体，而第二个FtsZ蛋白（FtsZ2）主要对表面柔性包膜起收缩作用，其内部收缩力可能主导着分裂的完成。有趣的是，作者发现FtsZ1和FtsZ2在具有表面S-层包膜的古菌中广泛存在，但是一些已知的具有拟壁结构（由类似细菌细胞壁肽聚糖的假肽聚糖构成）的古菌（例如，产甲烷古菌）仅具有一个FtsZ1蛋白。这些带有拟壁结构的古菌似乎独立进化，它们可以像有细胞壁的细菌（拥有一个FtsZ蛋白）一样进行分裂，然而大多数没有真正细胞壁结构的古菌需要双重FtsZ系统进行细胞分裂。本研究揭示了古菌基于FtsZ蛋白的细胞分裂的机制，与细菌和真核生物的细胞分裂模式相比较，对解释生命体细胞分裂的基本原理有重要意义。

来自悉尼科技大学ithree研究机构的博士后Yan Liao （廖燕）和 Solenne Ithurbide为文章共同一作，副教授Iain Duggin为通讯作者。

原文链接：

https://dx.doi.org/10.1038/s41564-021-00894-z

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制版人：十一

参考文献

1. Adams, D.W. & Errington, J. Bacterial cell division: assembly, maintenance and disassembly of the Z ring. Nat Rev Microbiol 7, 642-653 (2009).

2. Du, S. & Lutkenhaus, J. Assembly and activation of the Escherichia coli divisome. Mol Microbiol 105, 177-187 (2017).

3. Bisson-Filho, A.W. et al. Treadmilling by FtsZ filaments drives peptidoglycan synthesis and bacterial cell division. Science 355, 739-743 (2017).

4. Yang, X. et al. GTPase activity-coupled treadmilling of the bacterial tubulin FtsZ organizes septal cell wall synthesis. Science 355, 744-747 (2017).

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