mBio | 腳手架蛋白時空互作調控微生物細胞極性發(fā)育
細胞極性是指細胞形態(tài)、結構和功能在細胞層面表現出的不對稱現象,這一現象普遍存在于細菌、古細菌和真核生物中。細胞極性決定了細菌不對稱性分裂、子細胞命運決定、細胞運動、細胞分化等多種生命過程,并調控了細菌致病性和對抗生素的抗逆性。
細胞極性如何隨時間和空間建立并動態(tài)調整是該領域的核心科學問題。趙國屏-趙維團隊在前期研究發(fā)現,腳手架蛋白對于細胞極性建立是必要的:腳手架蛋白通過相分離招募并組織細胞命運決定蛋白,促進了細胞新極的構建以及細胞新舊極的重塑(Nature Communications 13:7181 2022)。在細胞新極建立的過程中,腳手架蛋白PopZ會由細胞舊極定位變?yōu)殡p極定位,這對于細胞新極的發(fā)育以及新舊極不同的信號傳導具有重要意義。然而,PopZ亞細胞定位是如何被調控,長期以來并不清楚。
近日,中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所趙國屏-趙維團隊在國際學術期刊mBio上發(fā)表了題為Scaffold-scaffold interaction facilitates cell polarity development in Caulobacter crescentus的研究成果。該研究發(fā)現腳手架蛋白PodJ通過蛋白-蛋白相互作用調控了PopZ的亞細胞定位,其相互作用決定了PopZ在細胞新極的出現時間。抑制PodJ-PopZ的相互作用將引發(fā)由PopZ介導的染色體分離出現異常,進而造成細胞周期中染色體分離與細胞分裂的解偶聯。

文章上線截圖
細胞極化的一個關鍵性事件是在細胞新極形成蛋白復合物,其組成成分和生物學功能不同于細胞舊極。腳手架蛋白PopZ和PodJ都已被證明是新月柄桿菌細胞極性蛋白復合物的組織者。在這里,研究者發(fā)現了PopZ和PodJ腳手架蛋白之間直接且保守的相互作用,這是PopZ由單極定位模式轉變成雙極定位模式的重要驅動力。
研究團隊通過將PodJ與其他PopZ調控蛋白(如ZitP和TipN)進行比較,突出了PodJ對于PopZ雙極定位的主要調控作用。后續(xù)體內和體外實驗證明了PodJ中的CC4-6結構域是與PopZ發(fā)生了直接互作的關鍵區(qū)域。PodJ確保了細胞新極PopZ的及時積累和細胞極性的嚴謹遺傳。PodJ-PopZ相互作用的破壞會導致PopZ介導的染色體分離出現異常,進而可能引發(fā)細胞周期中染色體分離與細胞分裂的解偶聯(圖2)。
該工作揭示了一種通過腳手架蛋白相互作用調節(jié)微生物細胞極性發(fā)育的動態(tài)調控機制,為進一步探究不對稱細胞分裂提供了方向。本次研究結合前期工作結果,證明了腳手架蛋白復合物PodJ-PopZ-SpmX構成了單極正反饋和極間負反饋的細胞極性調控線路。通過生信分析和實驗驗證,PodJ-PopZ-SpmX相互作用線路在其他α-變形菌門中普遍存在,暗示了一種進化上保守的細胞極性調控機制。
中科院深圳先進院博士后魯寧為論文第一作者、匹茲堡大學Samuel W. Duvall博士為論文共同第一作者。趙維副研究員與W. Seth Childers教授為論文通訊作者,深圳先進院為論文第一完成單位和第一通訊作者單位。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項、廣東省基礎與應用基礎研究基金委、中國博士后科學基金會及深圳合成生物學創(chuàng)新研究院的資助。

圖2. PodJ-PopZ時空互作調控新月柄桿菌的細胞極性發(fā)育
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