水生所在蓝细菌细胞分裂-细胞分化的协调机制研究中取得重要进展----中国科学院藻类生物学重点实验室

蓝细菌（蓝藻）在地球环境及生命进化过程中发挥了极为关键的作用。直至目前它们仍是地球元素循环的重要参与者。很多蓝细菌（包括丝状固氮蓝细菌）可在富营养水体中大量繁殖并形成水华，对水体环境造成极大危害。对蓝细菌基础生物学机制缺乏深刻理解是解决水华治理难题的重要瓶颈之一。丝状蓝细菌是地球上最早出现的多细胞生物之一。很多丝状蓝细菌（如鱼腥蓝细菌Anabaena）具有固氮能力。环境中存在化合态氮源时，菌丝上所有细胞为不能固氮的营养细胞。但在缺氮时，部分营养细胞会分化为专一执行固氮功能、但不具分裂能力的异形胞。中国科学院水生生物研究所张承才团队早期工作显示，异形胞分化过程与细胞分裂过程紧密关联，但详细机制尚不清楚。近日，该团队在PNAS杂志上发表了最新相关研究结果，为阐明该机制做出了重要贡献（www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2207963119）。

图1 HetF通过水解PatU3调控细胞分裂和异形胞分化的机制。在野生型（WT）中，细胞分裂（cell division）和异形胞分化（heterocyst formation）的抑制蛋白PatU3受到蛋白酶HetF水解作用（用剪刀表示），维持较低浓度，此时细胞分裂和异形胞分化正常进行。在HetF缺失菌株（ΔhetF）中，PatU3得以积累到高浓度，细胞分裂和异形胞发育受到抑制。NO3- 和N2分别为含化合态氮和不含氮培养基。箭头所示为异形胞。标尺为 10 μm。

Anabaena异形胞的分化过程涉及多个调控因子，例如HetR、PatS、HetF、PatU3、HetZ、HetP等。HetF属于半胱氨酸蛋白酶家族蛋白。尽管在20多年前人们就发现HetF的缺失导致异形胞无法形成，但背后的机理一直未被阐明。张承才团队去年发表的工作显示HetF是细胞分裂体（divisome）的组分之一，它能够在特定条件下参与细胞分裂（Xing et al., 2021. mBio）。而在本研究中，该团队进一步发现HetF作为蛋白酶，能够特异性剪切PatU3。PatU3是异形胞分化的抑制因子，多年前由水生所徐旭东团队首先发现（Zhang et al., 2007. Mol Microbiol）。最新报道的研究还发现PatU3能够抑制细胞分裂，因而也是细胞分裂的抑制因子。上述结果从生化水平揭示了HetF通过剪切PatU3以调控细胞分裂和异形胞分化的机制，显示了HetF和PatU3在协调细胞分裂和异形胞分化中的重要意义（图1）。

　　该研究成果以“A proteolytic pathway coordinates cell division and heterocyst differentiation in the cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120”为题近日发表于综合性期刊PNAS (Xing et al, 2022. PNAS)，论文第一作者为水生所特别研究助理、博士后邢伟越，通讯作者为张承才研究员。该研究得到了基金委水圈微生物驱动地球元素循环的机制重大研究计划项目(92051106)、中科院前沿科学重点研究项目(QYZDJ-SSW-SMC016)、中科院水生所特色研究所服务项目(Y85Z061601)、湖北省博士后创新研究岗位项目、湖北省“武汉英才”优秀青年人才项目和中科院特别研究助理资助项目的资助。