mBio | 腳手架蛋白時空互作調(diào)控微生物細(xì)胞極性發(fā)育
細(xì)胞極性是指細(xì)胞形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能在細(xì)胞層面表現(xiàn)出的不對稱現(xiàn)象,這一現(xiàn)象普遍存在于細(xì)菌、古細(xì)菌和真核生物中。細(xì)胞極性決定了細(xì)菌不對稱性分裂、子細(xì)胞命運(yùn)決定、細(xì)胞運(yùn)動、細(xì)胞分化等多種生命過程,并調(diào)控了細(xì)菌致病性和對抗生素的抗逆性。
細(xì)胞極性如何隨時間和空間建立并動態(tài)調(diào)整是該領(lǐng)域的核心科學(xué)問題。趙國屏-趙維團(tuán)隊(duì)在前期研究發(fā)現(xiàn),腳手架蛋白對于細(xì)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(xì)胞命運(yùn)決定蛋白,促進(jìn)了細(xì)胞新極的構(gòu)建以及細(xì)胞新舊極的重塑(Nature Communications 13:7181 2022)。在細(xì)胞新極建立的過程中,腳手架蛋白PopZ會由細(xì)胞舊極定位變?yōu)殡p極定位,這對于細(xì)胞新極的發(fā)育以及新舊極不同的信號傳導(dǎo)具有重要意義。然而,PopZ亞細(xì)胞定位是如何被調(diào)控,長期以來并不清楚。
近日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所趙國屏-趙維團(tuán)隊(duì)在國際學(xué)術(shù)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(xiàn)腳手架蛋白PodJ通過蛋白-蛋白相互作用調(diào)控了PopZ的亞細(xì)胞定位,其相互作用決定了PopZ在細(xì)胞新極的出現(xiàn)時間。抑制PodJ-PopZ的相互作用將引發(fā)由PopZ介導(dǎo)的染色體分離出現(xiàn)異常,進(jìn)而造成細(xì)胞周期中染色體分離與細(xì)胞分裂的解偶聯(lián)。

文章上線截圖
細(xì)胞極化的一個關(guān)鍵性事件是在細(xì)胞新極形成蛋白復(fù)合物,其組成成分和生物學(xué)功能不同于細(xì)胞舊極。腳手架蛋白PopZ和PodJ都已被證明是新月柄桿菌細(xì)胞極性蛋白復(fù)合物的組織者。在這里,研究者發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)變成雙極定位模式的重要驅(qū)動力。
研究團(tuán)隊(duì)通過將PodJ與其他PopZ調(diào)控蛋白(如ZitP和TipN)進(jìn)行比較,突出了PodJ對于PopZ雙極定位的主要調(diào)控作用。后續(xù)體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)證明了PodJ中的CC4-6結(jié)構(gòu)域是與PopZ發(fā)生了直接互作的關(guān)鍵區(qū)域。PodJ確保了細(xì)胞新極PopZ的及時積累和細(xì)胞極性的嚴(yán)謹(jǐn)遺傳。PodJ-PopZ相互作用的破壞會導(dǎo)致PopZ介導(dǎo)的染色體分離出現(xiàn)異常,進(jìn)而可能引發(fā)細(xì)胞周期中染色體分離與細(xì)胞分裂的解偶聯(lián)(圖2)。
該工作揭示了一種通過腳手架蛋白相互作用調(diào)節(jié)微生物細(xì)胞極性發(fā)育的動態(tài)調(diào)控機(jī)制,為進(jìn)一步探究不對稱細(xì)胞分裂提供了方向。本次研究結(jié)合前期工作結(jié)果,證明了腳手架蛋白復(fù)合物PodJ-PopZ-SpmX構(gòu)成了單極正反饋和極間負(fù)反饋的細(xì)胞極性調(diào)控線路。通過生信分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)化上保守的細(xì)胞極性調(diào)控機(jī)制。
中科院深圳先進(jìn)院博士后魯寧為論文第一作者、匹茲堡大學(xué)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(jìn)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(diǎn)研發(fā)計劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金委、中國博士后科學(xué)基金會及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院的資助。

圖2. PodJ-PopZ時空互作調(diào)控新月柄桿菌的細(xì)胞極性發(fā)育
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