mBio | 脚手架蛋白时空互作调控微生物细胞极性发育

细胞极性是指细胞形态、结构和功能在细胞层面表现出的不对称现象，这一现象普遍存在于细菌、古细菌和真核生物中。细胞极性决定了细菌不对称性分裂、子细胞命运决定、细胞运动、细胞分化等多种生命过程，并调控了细菌致病性和对抗生素的抗逆性。 

　　细胞极性如何随时间和空间建立并动态调整是该领域的核心科学问题。赵国屏-赵维团队在前期研究发现，脚手架蛋白对于细胞极性建立是必要的：脚手架蛋白通过相分离招募并组织细胞命运决定蛋白，促进了细胞新极的构建以及细胞新旧极的重塑（Nature Communications 13:7181 2022）。在细胞新极建立的过程中，脚手架蛋白PopZ会由细胞旧极定位变为双极定位，这对于细胞新极的发育以及新旧极不同的信号传导具有重要意义。然而，PopZ亚细胞定位是如何被调控，长期以来并不清楚。 

　　近日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所赵国屏-赵维团队在国际学术期刊mBio上发表了题为Scaffold-scaffold interaction facilitates cell polarity development in Caulobacter crescentus的研究成果。该研究发现脚手架蛋白PodJ通过蛋白-蛋白相互作用调控了PopZ的亚细胞定位，其相互作用决定了PopZ在细胞新极的出现时间。抑制PodJ-PopZ的相互作用将引发由PopZ介导的染色体分离出现异常，进而造成细胞周期中染色体分离与细胞分裂的解偶联。 

　　细胞极化的一个关键性事件是在细胞新极形成蛋白复合物，其组成成分和生物学功能不同于细胞旧极。脚手架蛋白PopZ和PodJ都已被证明是新月柄杆菌细胞极性蛋白复合物的组织者。在这里，研究者发现了PopZ和PodJ脚手架蛋白之间直接且保守的相互作用，这是PopZ由单极定位模式转变成双极定位模式的重要驱动力。 

　　研究团队通过将PodJ与其他PopZ调控蛋白（如ZitP和TipN）进行比较，突出了PodJ对于PopZ双极定位的主要调控作用。后续体内和体外实验证明了PodJ中的CC4-6结构域是与PopZ发生了直接互作的关键区域。PodJ确保了细胞新极PopZ的及时积累和细胞极性的严谨遗传。PodJ-PopZ相互作用的破坏会导致PopZ介导的染色体分离出现异常，进而可能引发细胞周期中染色体分离与细胞分裂的解偶联（图2）。 

 
　　该工作揭示了一种通过脚手架蛋白相互作用调节微生物细胞极性发育的动态调控机制，为进一步探究不对称细胞分裂提供了方向。本次研究结合前期工作结果，证明了脚手架蛋白复合物PodJ-PopZ-SpmX构成了单极正反馈和极间负反馈的细胞极性调控线路。通过生信分析和实验验证，PodJ-PopZ-SpmX相互作用线路在其他α-变形菌门中普遍存在，暗示了一种进化上保守的细胞极性调控机制。 

　　中科院深圳先进院博士后鲁宁为论文第一作者、匹兹堡大学Samuel W. Duvall博士为论文共同第一作者。赵维副研究员与W. Seth Childers教授为论文通讯作者，深圳先进院为论文第一完成单位和第一通讯作者单位。该研究得到了国家重点研发计划、中科院战略性先导科技专项、广东省基础与应用基础研究基金委、中国博士后科学基金会及深圳合成生物学创新研究院的资助。 

图2. PodJ-PopZ时空互作调控新月柄杆菌的细胞极性发育