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細胞分裂（cell division）是生物體中細胞增殖的過程，通過這一過程，一個母細胞（mother cell）復制其所有必要的成分，并分成兩個或更多個具有相似遺傳信息的子細胞（daughter cells）。細胞分裂對于維持生命活動至關重要，是所有細胞生命的基礎。無論是對于單細胞生物的增長和繁殖，還是對于多細胞生物的生長、修復損傷組織和生殖都是不可少的。
古細菌作為地球上最早出現的生命形式之一，其細胞分裂機制能提供關于早期生命如何增殖和演變的重要線索。通過了解古細菌的分裂方式，科學家可以更好地理解生命起源時原始細胞的復制機制，以及后來不同生物域的細胞分裂方式的演化過程。大多數古細菌使用原核微管蛋白同源物FtsZ或運輸所需的內體分選復合物（ESCRT）（也稱為Cdv系統(tǒng)）來實現細胞分裂，但這兩種系統(tǒng)都沒有得到可靠的表征，人們對于古細菌的分裂系統(tǒng)及其調控機制了解相對較少。
2024年3月4日，武漢大學生命科學學院杜世燊團隊在Nature Microbiology（IF：30.964）上發(fā)表了題為“Widespread photosynthesis reaction centre barrel proteins are necessary for haloarchaeal cell division"的研究論文，該論文以沃氏富鹽菌（Haloferax volcanii）為模型，發(fā)現了能調控細胞分裂的新型CdpB蛋白，揭示CdpB蛋白在細胞分裂過程中的作用機制，表明光合作用反應中心（PRC）桶蛋白在古菌的細胞分裂中起到重要作用，以期為深入理解細胞分裂的調控機制提供新的視角。
圖1.CdpB1-GFP與已知細胞分裂蛋白共定位的代表性圖像（圖片來自原文）
研究人員通過同源重組構建雙元表達質粒，判斷不同分裂基因能否雙重表達。結果顯示HVO_1691的熒光蛋白融合定位于細胞中（圖1），且與已知的細胞分裂蛋白FtsZ1、FtsZ2和SepF存在熒光共定位的情況，共定位百分比可達100%。表明HVO_1691蛋白在細胞分裂中起著重要作用，并將其重命名為細胞分裂蛋白B1 (CdpB1)。
圖2.CdpB1的缺失導致細胞分裂后形態(tài)缺陷（圖片來自原文）
圖3.去除色氨酸后cdpB1s轉錄水平的RT-qPCR分析（圖片來自原文）
為了確認CdpB1參與細胞分裂，研究人員構建His標記和非標記的CdpB1缺失菌株，將其啟動子替換為色氨酸誘導啟動子Ptna，使其表達受色氨酸調節(jié)。在色氨酸存在下，細胞生長良好；當從培養(yǎng)物中去除色氨酸后，細胞逐漸變大和畸形（圖2）。定量PCR逆轉錄（RT-qPCR）和蛋白質印跡分析證實，去除色氨酸后，cdpB1轉錄本和His-CdpB1蛋白水平急劇降低（圖2和圖3）。表明CdpB1對細胞分裂和細胞形態(tài)至關重要，降低它的表達水平導致細胞分裂及形態(tài)出現嚴重缺陷。
圖4.PRC桶蛋白在鹽古菌細胞分裂中廣泛保守（圖片來自原文）
a：PRC桶蛋白PRC桶狀蛋白在Natrinema sp. J7和H. hispanica細胞中定位的代表性圖像。b：CdpB1缺失的H. volcanii細胞分別與CdpB1或其同源物NJ7GCdpB1和HAHCdpB1互補的代表性圖像。c：CdpB1同源物的缺失分別在Natrinema sp. J7和H. hispanica細胞中引起嚴重和中度分裂缺陷。
進一步研究發(fā)現，CdpB1直接與細胞分裂蛋白FtsZ的膜錨定蛋白SepF相互作用，依賴FtsZ來調控細胞分裂。CdpB1的家族成員CdpB2和CdpB3也參與細胞分裂過程，但其缺失對細胞分裂的影響不同。CdpB蛋白的同源物也參與其他鹽古菌的細胞分裂，表明CdpB1蛋白的細胞分裂功能在不同物種中高度保守（圖4）。比較基因組學分析和系統(tǒng)發(fā)育樹顯示，CdpB蛋白是PRC-barrel蛋白超家族的成員，含有PRC結構域，廣泛分布于各種古菌分支中。值得注意的是，古菌ESCRT細胞分裂系統(tǒng)中的關鍵蛋白CdvA也含有PRC結構域，表明PRC結構域在古菌細胞分裂系統(tǒng)中具有廣泛而保守的作用。綜合分析表明，PRC蛋白家族是古菌細胞分裂系統(tǒng)中的重要組成部分，可能作為適配器招募其他參與細胞分裂的蛋白，在古菌細胞分裂中具有保守功能。
綜上所述，本研究發(fā)現了一類廣泛保守的古菌細胞分裂蛋白并初步揭示了其分子機制，這些發(fā)現為細胞分裂機器的演化提供了新的見解，為深入研究古菌細胞分裂機制及分裂機器的演化奠定了基礎。
在該研究中，研究人員選擇了翌圣克隆試劑盒用于構建表達載體、qPCR Mix用于基因表達情況分析、高保真酶用于擴增目的片段。
（截圖來自原文Data 7）
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