刁雯蕙?科技日?qǐng)?bào)記者 劉傳書

(相關(guān)資料圖)

世界上沒(méi)有完全相同的兩片樹(shù)葉。在微觀世界中，細(xì)菌同樣存在著“生成”不同子代細(xì)胞的現(xiàn)象。細(xì)胞不對(duì)稱性分裂（也叫極性分裂）是發(fā)生細(xì)胞分化和產(chǎn)生生物多樣性的基礎(chǔ)，也是引起細(xì)菌異質(zhì)性耐藥的重要原因。然而，細(xì)菌是如何調(diào)控生成差異化的子細(xì)胞，長(zhǎng)期以來(lái)并不清楚。

近日，記者從中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院獲悉，該院合成生物學(xué)研究所趙國(guó)屏院士組內(nèi)的趙維團(tuán)隊(duì)最新研究發(fā)現(xiàn)，微生物中的極性蛋白通過(guò)生物物理作用形成具有生理功能的無(wú)膜區(qū)域，有助于建立和調(diào)控細(xì)菌細(xì)胞的不對(duì)稱性，相關(guān)成果于11月24日發(fā)表在《自然·通訊》上。

細(xì)胞中的“命運(yùn)決定因子”

細(xì)胞極性是細(xì)胞維持自我更新、產(chǎn)生生物多樣性的基本方式，在細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖、分化、發(fā)育和行使細(xì)胞功能等多個(gè)方面發(fā)揮著重要作用。這種方式廣泛存在于動(dòng)植物和微生物的大部分細(xì)胞中，其基本特征在于母細(xì)胞在分裂前發(fā)生細(xì)胞極化，將細(xì)胞命運(yùn)決定蛋白不對(duì)稱分布在細(xì)胞的新、舊兩極，最終細(xì)胞不對(duì)稱分裂為兩個(gè)不同命運(yùn)的子細(xì)胞。典型的細(xì)胞命運(yùn)決定蛋白是成對(duì)存在的磷酸化信號(hào)因子。然而，“決定”細(xì)胞命運(yùn)決定蛋白不對(duì)稱性分布的機(jī)制是怎樣，一直是科學(xué)家們致力于尋找的答案。

由于細(xì)胞分裂過(guò)程調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的高度復(fù)雜性，趙國(guó)屏-趙維團(tuán)隊(duì)將目光聚焦在細(xì)胞分裂更加精煉的細(xì)菌上，而新月柄桿菌作為細(xì)胞發(fā)育的模式微生物已有多年的研究歷史。目前已發(fā)現(xiàn)一些定位于細(xì)胞極的“腳手架蛋白”可以起到招募細(xì)胞命運(yùn)決定蛋白，進(jìn)而影響細(xì)胞極性生長(zhǎng)的作用。

部分實(shí)驗(yàn)室成員。科研團(tuán)隊(duì)供圖

“我們對(duì)腳手架蛋白潛在地調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)，決定蛋白不對(duì)稱性分布的機(jī)制進(jìn)行了深入探索。腳手架蛋白廣泛存在于細(xì)胞中，通常能自己組裝形成大分子復(fù)合物，可以將目標(biāo)蛋白招募到特定的細(xì)胞區(qū)域，在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞分裂、形態(tài)發(fā)生等生物過(guò)程的空間調(diào)節(jié)中發(fā)揮作用。我們推測(cè)腳手架蛋白可能在細(xì)胞極性調(diào)控中起關(guān)鍵作用。”趙維說(shuō)。

腳手架蛋白“結(jié)界”形成極性堡壘

受益于高分辨率成像技術(shù)和蛋白分子標(biāo)記示蹤技術(shù)的高速發(fā)展，科研團(tuán)隊(duì)在新月柄桿菌中發(fā)現(xiàn)一個(gè)關(guān)鍵腳手架蛋白PodJ特異性地聚集在細(xì)胞新極。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，PodJ蛋白在細(xì)胞新極的組織過(guò)程中起著“領(lǐng)導(dǎo)”作用：PodJ通過(guò)自發(fā)組裝在細(xì)胞新極形成近微米級(jí)的極性堡壘，這個(gè)極性堡壘可以特異性地捕獲一眾“粉絲”，中間就包括新極細(xì)胞命運(yùn)決定蛋白PleC等。

那么，PodJ蛋白是如何修建自己的“極性堡壘”呢？科研團(tuán)隊(duì)利用體內(nèi)延時(shí)攝影、蛋白異源表達(dá)，以及光漂白恢復(fù)等實(shí)驗(yàn)證明：PodJ蛋白實(shí)際上是通過(guò)物理學(xué)概念上的“相分離”作用實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)無(wú)膜區(qū)隔化的。通過(guò)對(duì)其蛋白結(jié)構(gòu)域的分析發(fā)現(xiàn)，PodJ含有能夠形成自發(fā)組裝的卷曲螺旋以及大片段的無(wú)序結(jié)構(gòu)。“所以，細(xì)菌細(xì)胞通過(guò)腳手架蛋白筑起了一層‘結(jié)界’，這個(gè)結(jié)界內(nèi)有不同于外面的蛋白組成、濃度以及相互作用，介導(dǎo)了近立方微米范圍內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)、組織，最終導(dǎo)致了不同子代細(xì)胞的生成。”趙維解釋說(shuō)。

微生物細(xì)胞內(nèi)的蛋白“結(jié)界”。科研團(tuán)隊(duì)供圖

團(tuán)隊(duì)選擇了一個(gè)非極性分裂的微生物——大腸桿菌，作為異源表達(dá)平臺(tái)來(lái)進(jìn)一步測(cè)試PodJ蛋白要如何“領(lǐng)導(dǎo)”及“捕獲”所需的蛋白種類。通過(guò)體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)證實(shí)，PodJ蛋白可以通過(guò)與相分離相關(guān)的兩個(gè)結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)捕獲多種不同的信號(hào)蛋白到“結(jié)界”中來(lái)。科研團(tuán)隊(duì)由此推測(cè)，PodJ的多功能募集能力可能來(lái)自微生物無(wú)膜區(qū)隔化，而不是傳統(tǒng)的蛋白-蛋白相互作用。

進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新的微生物細(xì)胞極性調(diào)控機(jī)制，該機(jī)制涉及細(xì)菌細(xì)胞新極組裝和新舊細(xì)胞極重塑。“微生物細(xì)胞區(qū)隔化”可能作為組裝腳手架蛋白復(fù)合物和調(diào)節(jié)不對(duì)稱細(xì)胞分裂的通用生物物理方法，類似的方法可用于人工細(xì)胞器和其他無(wú)膜生物催化室的工程化應(yīng)用。

未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步利用交叉利用計(jì)算生物學(xué)和生物物理學(xué)知識(shí)，探索多個(gè)不同腳手架蛋白之間的相互作用關(guān)系，人工設(shè)計(jì)以及構(gòu)建可控的細(xì)胞區(qū)隔化，應(yīng)用于從頭構(gòu)建無(wú)膜細(xì)胞器和單細(xì)胞生命。