新聞科研進(jìn)展
大多數(shù)細(xì)胞通過對(duì)稱分裂進(jìn)行增殖，產(chǎn)生兩個(gè)大小均等的子細(xì)胞。如何在細(xì)胞分裂過程中保障均等分裂，需要復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制。藍(lán)藻（藍(lán)細(xì)菌）是地球上最早出現(xiàn)的放養(yǎng)光合生物，對(duì)于地球環(huán)境進(jìn)化及生命進(jìn)化起了決定性的作用。在富營(yíng)養(yǎng)條件下，藍(lán)藻的大量繁殖會(huì)造成具有環(huán)境危害的水華。藍(lán)藻細(xì)胞的繁殖依賴于細(xì)胞分裂，其分裂過程也屬于均等的對(duì)稱分裂， 但其決定機(jī)制未知。中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所張承才團(tuán)隊(duì)最新發(fā)表于PNAS Nexus雜志的文章對(duì)相關(guān)機(jī)制的研究取得了重要突破。該團(tuán)隊(duì)之前的研究發(fā)現(xiàn)（Sakr et al., J. Bacteriol, 2006），在絲狀多細(xì)胞藍(lán)藻Anabaena中，細(xì)胞分裂板相對(duì)于每個(gè)細(xì)胞的長(zhǎng)軸以90°角垂直排列，表明在菌絲上的每一個(gè)細(xì)胞單元中，分裂板的位置和角度都受到精確調(diào)控，以便菌絲可以沿長(zhǎng)軸在單一維度上進(jìn)行生長(zhǎng)。
該團(tuán)隊(duì)近期發(fā)表的工作顯示細(xì)胞分裂復(fù)合體組分之一的蛋白酶HetF能夠特異性剪切細(xì)胞分裂和異形胞分化抑制因子PatU3，從而控制Anabaena細(xì)胞分裂和異形胞分化過程（Xing et al., mBio，2021；PNAS，2022）。但PatU3在細(xì)胞分裂過程中的功能未知。該團(tuán)隊(duì)最近發(fā)現(xiàn)，相較于野生型細(xì)胞在一維軸上的生長(zhǎng)及分裂而產(chǎn)生的直形藻絲，patU3基因失活會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞在二維空間上發(fā)生非對(duì)稱分裂，從而產(chǎn)生大小不一的細(xì)胞和扭曲的藻絲（圖1）。藍(lán)藻也具有細(xì)菌中控制均等分裂的保守基因minCD，而minCD基因的缺失只影響細(xì)胞分裂對(duì)稱性，但基本不影響分裂板相對(duì)于細(xì)胞長(zhǎng)軸的角度（圖1）。有趣的是，當(dāng)patU3和minCD均失活后，細(xì)胞可以在三維度上以360°角在任何位點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)分裂，不僅產(chǎn)生大小不一的細(xì)胞，還產(chǎn)生分支狀藻絲（圖1）；而野生型的細(xì)胞分裂版總是位于細(xì)胞中間位置從而產(chǎn)生大小均一的子細(xì)胞?；谶@些結(jié)果，他們提出Min系統(tǒng)和PatU3抑制Anabaena細(xì)胞非中間區(qū)域的潛在分裂位點(diǎn)，PatU3作用于靠近細(xì)胞中心的亞區(qū)域，而MinCD更接近細(xì)胞極性位點(diǎn)（圖1C）。 此外，PatU3還將分裂板的角度限制在相對(duì)于長(zhǎng)細(xì)胞軸的90°角，即維持藻絲的一維生長(zhǎng)。此兩套系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作用能夠保障細(xì)胞分裂以垂直方位發(fā)生在細(xì)胞中間位置，造成均等分裂。相關(guān)工作在線發(fā)表于PNAS nexus 雜志，劉靜和刑偉越為共同第一作者（https://doi.org/10.1093/pnasnexus/pgac307）。
圖1：Anabaena細(xì)胞分裂位點(diǎn)定位的三維調(diào)控。（A）不同菌株的HADA（7-hydroxycoumarin-amino-D-alanine）染色，標(biāo)識(shí)分裂板，白色），和AO染色（acridine orange，標(biāo)識(shí)DNA，綠色）的共聚焦顯微圖像，及A和B的疊加（merge）。比例尺如圖所示。（B） 圖A的代表性菌絲示意圖（用紅色虛線框出），紅色實(shí)線表示分裂平面。（C）PatU3和Min在Anabaena的細(xì)胞分裂位點(diǎn)定位的三維控制的模型。x、y 和 z表示細(xì)胞的三個(gè)維度。紅色虛線代表潛在的細(xì)胞分裂位點(diǎn)，極性位點(diǎn)被Min系統(tǒng)抑制以及靠近細(xì)胞中心的位點(diǎn)被PatU3抑制。藍(lán)色實(shí)線代表細(xì)胞分裂過程中實(shí)際能夠發(fā)生的分裂平面。
這項(xiàng)研究證明一個(gè)以三維方式運(yùn)行的調(diào)控系統(tǒng)，用于控制Anabaena的細(xì)胞分裂過程。多細(xì)胞行為的出現(xiàn)是生物進(jìn)化的標(biāo)志，這種三維協(xié)調(diào)系統(tǒng)可能是進(jìn)化過程中出現(xiàn)，以便于協(xié)調(diào)多細(xì)胞藻絲上不同細(xì)胞之間分裂平面的位置來維持藻絲形態(tài)，從而有利于藻絲生長(zhǎng)。這項(xiàng)研究為研究絲狀藍(lán)藻中細(xì)胞分裂位點(diǎn)的定位機(jī)制提供了新的方向和思路，也有助于深入理解藍(lán)藻繁殖的過程及其控制手段。
這項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（92051106、青年計(jì)劃31800033和32200028）以及水生所特色研究所服務(wù)項(xiàng)目（Y85Z061601）的支持。