刁雯蕙?科技日報記者 劉傳書
世界上沒有完全相同的兩片樹葉。在微觀世界中，細菌同樣存在著“生成”不同子代細胞的現象。細胞不對稱性分裂（也叫極性分裂）是發生細胞分化和產生生物多樣性的基礎，也是引起細菌異質性耐藥的重要原因。然而，細菌是如何調控生成差異化的子細胞，長期以來并不清楚。
近日，記者從中國科學院深圳先進技術研究院獲悉，該院合成生物學研究所趙國屏院士組內的趙維團隊最新研究發現，微生物中的極性蛋白通過生物物理作用形成具有生理功能的無膜區域，有助于建立和調控細菌細胞的不對稱性，相關成果于11月24日發表在《自然·通訊》上。
(相關資料圖)
細胞中的“命運決定因子”
細胞極性是細胞維持自我更新、產生生物多樣性的基本方式，在細胞生長、增殖、分化、發育和行使細胞功能等多個方面發揮著重要作用。這種方式廣泛存在于動植物和微生物的大部分細胞中，其基本特征在于母細胞在分裂前發生細胞極化，將細胞命運決定蛋白不對稱分布在細胞的新、舊兩極，最終細胞不對稱分裂為兩個不同命運的子細胞。典型的細胞命運決定蛋白是成對存在的磷酸化信號因子。然而，“決定”細胞命運決定蛋白不對稱性分布的機制是怎樣，一直是科學家們致力于尋找的答案。
由于細胞分裂過程調控網絡的高度復雜性，趙國屏-趙維團隊將目光聚焦在細胞分裂更加精煉的細菌上，而新月柄桿菌作為細胞發育的模式微生物已有多年的研究歷史。目前已發現一些定位于細胞極的“腳手架蛋白”可以起到招募細胞命運決定蛋白，進而影響細胞極性生長的作用。
部分實驗室成員。科研團隊供圖
“我們對腳手架蛋白潛在地調控細胞命運，決定蛋白不對稱性分布的機制進行了深入探索。腳手架蛋白廣泛存在于細胞中，通常能自己組裝形成大分子復合物，可以將目標蛋白招募到特定的細胞區域，在細胞信號轉導、細胞分裂、形態發生等生物過程的空間調節中發揮作用。我們推測腳手架蛋白可能在細胞極性調控中起關鍵作用。”趙維說。
腳手架蛋白“結界”形成極性堡壘
受益于高分辨率成像技術和蛋白分子標記示蹤技術的高速發展，科研團隊在新月柄桿菌中發現一個關鍵腳手架蛋白PodJ特異性地聚集在細胞新極。進一步研究發現，PodJ蛋白在細胞新極的組織過程中起著“領導”作用：PodJ通過自發組裝在細胞新極形成近微米級的極性堡壘，這個極性堡壘可以特異性地捕獲一眾“粉絲”，中間就包括新極細胞命運決定蛋白PleC等。
那么，PodJ蛋白是如何修建自己的“極性堡壘”呢？科研團隊利用體內延時攝影、蛋白異源表達，以及光漂白恢復等實驗證明：PodJ蛋白實際上是通過物理學概念上的“相分離”作用實現細胞內無膜區隔化的。通過對其蛋白結構域的分析發現，PodJ含有能夠形成自發組裝的卷曲螺旋以及大片段的無序結構。“所以，細菌細胞通過腳手架蛋白筑起了一層‘結界’，這個結界內有不同于外面的蛋白組成、濃度以及相互作用，介導了近立方微米范圍內的信號傳導、組織，最終導致了不同子代細胞的生成。”趙維解釋說。
微生物細胞內的蛋白“結界”。科研團隊供圖
團隊選擇了一個非極性分裂的微生物——大腸桿菌，作為異源表達平臺來進一步測試PodJ蛋白要如何“領導”及“捕獲”所需的蛋白種類。通過體內外實驗證實，PodJ蛋白可以通過與相分離相關的兩個結構域介導捕獲多種不同的信號蛋白到“結界”中來。科研團隊由此推測，PodJ的多功能募集能力可能來自微生物無膜區隔化，而不是傳統的蛋白-蛋白相互作用。
進一步，研究團隊提出了一種新的微生物細胞極性調控機制，該機制涉及細菌細胞新極組裝和新舊細胞極重塑。“微生物細胞區隔化”可能作為組裝腳手架蛋白復合物和調節不對稱細胞分裂的通用生物物理方法，類似的方法可用于人工細胞器和其他無膜生物催化室的工程化應用。
未來，研究團隊將進一步利用交叉利用計算生物學和生物物理學知識，探索多個不同腳手架蛋白之間的相互作用關系，人工設計以及構建可控的細胞區隔化，應用于從頭構建無膜細胞器和單細胞生命。
關鍵詞： 不對稱性
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