新聞科研進(jìn)展
近日，中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所張承才研究員團(tuán)隊(duì)以屬于同一家族的轉(zhuǎn)錄因子NtcA和DevH的功能作為突破口，在藍(lán)藻細(xì)胞形態(tài)和生存適應(yīng)分子機(jī)制研究上取得系列進(jìn)展。相關(guān)研究成果分別以“Carbon metabolism shapes FtsZ levels and cell division in a cyanobacterium（藍(lán)藻碳代謝調(diào)控FtsZ水平及細(xì)胞分裂）”為題在線發(fā)表于Communications Biology（https://www.nature.com/articles/s42003-025-08849-4）、以“Functional dissection of the CRP-family transcription factor DevH and its interplay with NtcA in a cyanobacterium（藍(lán)藻中CRP家族轉(zhuǎn)錄因子DevH的功能解析及其與NtcA的相互作用）”為題，在線發(fā)表于Cell Reports (https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(25)01206-9)。
進(jìn)展一(Carbon metabolism shapes FtsZ levels and cell division in a cyanobacterium)：
該進(jìn)展首次在藍(lán)藻中構(gòu)建了代謝流重編程調(diào)控細(xì)胞分裂的模型，為理解原核生物細(xì)胞分裂與碳代謝之間的耦合機(jī)制提供了新視角。
細(xì)菌在多變環(huán)境中生存，必須高效協(xié)調(diào)碳代謝與能量供應(yīng)，以驅(qū)動(dòng)生長(zhǎng)、DNA復(fù)制和細(xì)胞分裂等核心生命活動(dòng)。然而，這一復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的具體機(jī)制仍不清晰。在細(xì)菌分裂過(guò)程中，F(xiàn)tsZ蛋白作為關(guān)鍵的細(xì)胞分裂“分子開(kāi)關(guān)”，通過(guò)形成Z-環(huán)并引導(dǎo)分裂體組裝，驅(qū)動(dòng)細(xì)胞隔膜收縮。因此，揭示調(diào)控FtsZ動(dòng)態(tài)的信號(hào)機(jī)制，成為理解碳代謝協(xié)調(diào)細(xì)胞分裂的核心。藍(lán)藻作為唯一能進(jìn)行放氧光合作用的原核生物，其碳代謝途徑具有特殊性：依賴(lài)卡爾文-本森循環(huán)固定碳源，且其三羧酸（TCA）循環(huán)因缺乏α-酮戊二酸脫氫酶而呈“開(kāi)放”狀態(tài)，代謝流分布與異養(yǎng)細(xì)菌差異顯著。盡管有研究提示營(yíng)養(yǎng)條件可能影響藍(lán)藻分裂，但具體調(diào)控路徑仍不明確。那么，藍(lán)藻細(xì)胞是如何感應(yīng)細(xì)胞的代謝狀態(tài)，從而達(dá)到分裂和代謝的協(xié)調(diào)尚未可知。
針對(duì)這一空白，張承才團(tuán)隊(duì)在絲狀藍(lán)藻Anabaena sp. PCC 7120的TCA途徑中引入由巴豆酰-CoA羧化酶/還原酶（Ccr）構(gòu)成的人工CO?固定模塊（PCEM）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，工程株gPCEM的分裂行為隨光強(qiáng)變化：弱光下分裂受阻，高光下則顯著加快。進(jìn)一步研究表明，高光強(qiáng)驅(qū)動(dòng)碳代謝流增強(qiáng)，促使代謝物α-酮戊二酸（2-OG）含量上升，后者作為信號(hào)分子，增強(qiáng)了全局轉(zhuǎn)錄因子NtcA與ftsZ啟動(dòng)子的結(jié)合，從而上調(diào)FtsZ表達(dá)，進(jìn)而影響細(xì)胞分裂進(jìn)程。
該研究首次在藍(lán)藻中勾勒出“碳代謝—酮戊二酸信號(hào)—NtcA（C/N平衡響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子）—FtsZ—細(xì)胞分裂”的調(diào)控通路，系統(tǒng)闡釋了碳代謝協(xié)調(diào)調(diào)控細(xì)胞分裂的機(jī)制，為理解光合生物代謝與分裂協(xié)同機(jī)制提供了新范式，也為合成生物學(xué)改造提供了理論依據(jù)。
本研究由水生所博士研究生冉文碩完成，曾曉麗青年研究員和張承才研究員為本文的共同通訊作者。本研究獲中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)研究領(lǐng)域優(yōu)秀青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（YSBR-015）、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)B研究項(xiàng)目（XDB0480000）、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（32330003）及中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2022342）等項(xiàng)目的支持。
圖1：Anabaena 中 NtcA 調(diào)節(jié) FtsZ 水平和細(xì)胞分裂的模型。A: 在標(biāo)準(zhǔn)光條件下，WT的 TCA循環(huán)以正常效率運(yùn)行，碳代謝產(chǎn)物無(wú)明顯變化。NtcA 在基礎(chǔ)水平上調(diào)節(jié) FtsZ 的表達(dá)，細(xì)胞分裂正常進(jìn)行，細(xì)胞形態(tài)無(wú)明顯變化。B：與標(biāo)準(zhǔn)光條件相比，在高光條件下，TCA循環(huán)的效率略有提高，這種代謝轉(zhuǎn)變提高了 NtcA 蛋白水平，進(jìn)而增加了 FtsZ 的表達(dá)。FtsZ 水平的升高促進(jìn)了細(xì)胞分裂速度的加快，從而導(dǎo)致細(xì)胞長(zhǎng)度的縮短。C：在高光條件條件下，gPCEM 菌株的TCA循環(huán)表現(xiàn)出高效率，導(dǎo)致富馬酸、蘋(píng)果酸、檸檬酸和 2-氧代戊二酸（綠星表示）水平顯著升高。NtcA 和 2-OG 的積累通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子 NtcA 增強(qiáng)了 ftsZ 基因的轉(zhuǎn)錄，從而在提高 FtsZ 水平方面發(fā)揮了重要作用。因此，F(xiàn)tsZ 水平的升高促進(jìn)了細(xì)胞的不對(duì)稱(chēng)分裂，導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)不規(guī)則。
進(jìn)展二(Functional dissection of the CRP-family transcription factor DevH and its interplay with NtcA in a cyanobacterium)：
該進(jìn)展是繼團(tuán)隊(duì)2023年在PNAS上發(fā)表的DevH參與由二級(jí)信使c-di-GMP介導(dǎo)的細(xì)胞形態(tài)調(diào)控（Zeng et al.,PNAS 120?:e2221874120）后對(duì)其功能研究的又一項(xiàng)重要成果。
藍(lán)藻/藍(lán)細(xì)菌是古老且唯一能進(jìn)行產(chǎn)氧光合作用的原核生物，一些絲狀藍(lán)藻在環(huán)境中無(wú)化合態(tài)氮源時(shí)能分化發(fā)育出異形胞來(lái)固定并同化空氣中的氮?dú)狻Ｔ谶m應(yīng)復(fù)雜多變的生存環(huán)境的過(guò)程中，調(diào)控基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子起著至關(guān)重要的作用。DevH和NtcA均屬于CRP家族（cAMP receptor protein，環(huán)腺苷酸受體蛋白）轉(zhuǎn)錄因子。研究最多也較為清楚的是NtcA——作為全局性轉(zhuǎn)錄因子，它在異形胞分化，碳氮代謝平衡，光合作用和應(yīng)激響應(yīng)等多個(gè)生理過(guò)程中都發(fā)揮重要作用。盡管NtcA具有多效性和全局性調(diào)控能力，其對(duì)藍(lán)藻的生存卻不是必需的——因?yàn)?em data-index="9" style="font-family: 宋體, SimSun; font-size: 16px; line-height: 1.75em;">ntcA突變體仍可利用銨鹽作為氮源進(jìn)行生長(zhǎng)。有報(bào)道稱(chēng)devH可能是必需基因，其對(duì)異形胞的后期發(fā)育有影響。但值得注意的是，以往構(gòu)建的devH突變體并不嚴(yán)謹(jǐn)，devH沒(méi)有被充分下調(diào)，所以只有部分表型（僅異形胞后期發(fā)育受影響）被觀察到。DevH的真實(shí)功能尚不明確。
在前期研究中，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)建由嚴(yán)謹(jǐn)型Co2?/Zn2?誘導(dǎo)型啟動(dòng)子PcoaT調(diào)控的devH條件突變體，證實(shí)了DevH在魚(yú)腥藻中的必需性，并發(fā)現(xiàn)其與環(huán)二鳥(niǎo)苷酸（c-di-GMP）受體蛋白CdgR相互結(jié)合，且該互作可能通過(guò)調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)與分裂相關(guān)基因，進(jìn)而影響細(xì)胞形態(tài)（Zeng et al.,PNAS 120?:e2221874120）。在該基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)深入挖掘，繼續(xù)突破，借助遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)及生物信息學(xué)等技術(shù)和方法，對(duì)DevH做了較為全面的解析。本研究進(jìn)一步證明了devH基因在多種條件下均為藍(lán)藻生存所必需，且其對(duì)異形胞分化的影響從早期就開(kāi)始了，并非如文獻(xiàn)所述只影響后期的成熟。通過(guò)明確直接被DevH調(diào)控的基因集合，本研究解析了DevH功能必需性的實(shí)現(xiàn)機(jī)制——通過(guò)作為全局性轉(zhuǎn)錄因子，其直接調(diào)控了如光合作用，碳氮代謝，細(xì)胞周期，異形胞分化等諸多關(guān)鍵生理活動(dòng)（圖1）。DevH識(shí)別并結(jié)合的DNA上的特異性保守位點(diǎn)也在本研究中被鑒定，其與NtcA的DNA結(jié)合位點(diǎn)十分相似（圖1）。devH和ntcA的相互調(diào)控以及功能互補(bǔ)和加強(qiáng)，從而協(xié)調(diào)了一系列重要的細(xì)胞生理代謝活動(dòng)。
由此可見(jiàn)，DevH和NtcA這兩個(gè)CRP家族轉(zhuǎn)錄因子在功能上有極大重疊，但一個(gè)是必需的，另一個(gè)只在特定條件下必需，二者必有特異之處，相較于NtcA，DevH的必需性又是如何涌現(xiàn)的呢？團(tuán)隊(duì)繼續(xù)從二者的自調(diào)控及交叉調(diào)控模式、細(xì)胞內(nèi)蛋白水平、結(jié)構(gòu)差異，以及系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化關(guān)系等多方面入手，最終回答了這個(gè)問(wèn)題（圖1）。本研究結(jié)果表明，功能特異且存在重疊的同家族轉(zhuǎn)錄因子之間的協(xié)同作用，可能是藍(lán)藻在動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中維持細(xì)胞生長(zhǎng)與存活的重要生理機(jī)制。同時(shí)，本研究也為探討進(jìn)化過(guò)程中的功能涌現(xiàn)提供了一個(gè)范例。
圖2.DevH功能必需性的實(shí)現(xiàn)及涌現(xiàn)的分子機(jī)制研究示意圖。DevH和NtcA均是CRP家族的全局性轉(zhuǎn)錄因子，二者有功能重疊性，并有相互激活作用，而在進(jìn)化過(guò)程中，與NtcA相比，現(xiàn)今魚(yú)腥藻DevH出現(xiàn)了不同的自調(diào)控方式，并呈現(xiàn)明顯更高的蛋白水平，在蛋白結(jié)構(gòu)上也發(fā)生了極具意義的變化（如多出一段富含正電荷的可幫助結(jié)合DNA靶標(biāo)的E-loop，以及小分子α-酮戊二酸（2-OG）結(jié)合口袋的缺失等），這些特征加強(qiáng)了DevH的功能，使之成為細(xì)胞必需的轉(zhuǎn)錄因子。
水生所特別研究助理、博士后徐曉梅為該論文第一作者，曾曉麗青年研究員和張承才研究員為共同通訊作者，該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（32300039），國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（32330003），中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目（2022342），中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（E21Z060102）和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（XDB0480000）的資助。?