深圳先進院報道腳手架蛋白相分離調控微生物細胞極性

　　細胞不對稱性（也稱細胞極性）廣泛存在于動植物和微生物細胞中，其基本特征是母細胞在分裂前發生細胞極化，從而不對稱分裂生成兩個不同命運的子代細胞。細胞極性是生命世界產生多樣性的根本原因，在細胞生長、增殖、分化、發育和行使細胞功能等方面發揮重要作用。細胞極性紊亂是某些腫瘤（如皮膚癌）發生的重要表現；微生物中，細胞極性會產生細胞異質性，造成病原菌抗性耐受（如結核分枝桿菌）、環境抵抗或宿主免疫逃逸等。

　　然而，由于細胞命運決定調控網絡的高度復雜性，關于細胞極性的認知處于初級階段。細胞命運決定蛋白如何實現時空有序的不對稱性亞細胞定位，是該領域有待深入解析的核心問題。微生物新月柄桿菌作為細胞不對稱性分裂的精煉模型，在細胞極性研究中具有獨特優勢。

　　近日，中國科學院深圳先進技術研究院趙國屏/趙維團隊在《自然-通訊》上，發表了題為Phase separation modulates the assembly and dynamics of a polarity-related scaffold-signaling hub的研究成果。該研究發現腳手架蛋白通過相分離形成具有細胞命運決定功能的極性無膜區室，揭示了微生物細胞極性構建和動態調控的新機制。

　　腳手架蛋白廣泛存在于細胞中，通常能自組裝形成大分子復合物并將客戶蛋白招募至特定的細胞區域，在信號轉導、細胞分裂、形態發生和不對稱分裂等生物過程中發揮作用。有研究發現，在果蠅和隱桿線蟲中，Par蛋白可以通過相分離形成無膜區室，使下游信號蛋白（如αPKC或PKC3）不對稱定位和分布，從而保證胚胎發育正常進行。這引起了科研團隊對微生物腳手架蛋白可能通過發生相分離來調控細胞極性的思考。

　　研究團隊以細胞發育模式微生物——新月柄桿菌為研究對象。在每個細胞周期中，新月柄桿菌可不對稱性分裂產生一個帶鞭毛的游動子細胞和一個有柄子細胞（圖1）。在細胞分裂前，一對細胞命運決定蛋白（磷酸化酶PleC和蛋白激酶DivJ）的極性定位協同調節多個下游信號蛋白的磷酸化水平，并決定新月柄桿菌的細胞命運。已有研究表明，蛋白激酶DivJ通過PopZ和SpmX這一對腳手架蛋白復合物被招募到舊細胞極。而前期研究發現磷酸化酶PleC被一個潛在的腳手架蛋白PodJ定位到新細胞極。然而，微生物腳手架蛋白如何招募細胞命運決定因子進而調控細胞極性的作用機制尚不清楚。為此，該團隊以PodJ蛋白為中心，在新月柄桿菌中開展了細胞極性建立和調控機制的研究。

　　科研人員通過活細胞延時攝影證實了PodJ的細胞極定位模式——PodJ特異性地識別并聚集在新月柄桿菌的細胞新極。同時，PodJ能夠在“遠親”大腸桿菌中表達并進行細胞極性定位。研究分析蛋白聚態特征發現，該蛋白可以在體外自發形成大分子的高聚物。同時，PodJ在新月柄桿菌和大腸桿菌中的極性聚集均不依賴其他腳手架蛋白，表明該蛋白是一種能自組裝的腳手架蛋白。

　　通過PodJ蛋白序列分析，研究預測PodJ具有典型的內在無序蛋白序列（Intrinsically Disordered Region，IDR）和串聯重復序列，暗示了該蛋白發生相分離的潛在可能。進一步實驗發現，內源生理蛋白水平的PodJ可在體外自發形成微米大小的球形液滴。同時，PodJ在細胞內也可形成具有典型流動性液滴性質的蛋白凝聚體（圖2），說明其在體內外均可發生相分離。

　　通過大腸桿菌異源共表達平臺，研究團隊在23個新月柄桿菌細胞周期或極性相關蛋白中篩選出兩個新的被PodJ所招募的細胞信號蛋白，即纖毛蛋白CpaE和鞭毛蛋白FliG。新月柄桿菌的驗證性實驗表明，PodJ對PleC、CpaE和FliG等細胞信號功能蛋白的特異性招募均發生在細胞新極（圖3）。這說明腳手架蛋白PodJ可能通過相分離實現細胞區室化，并招募細胞新極相關的信號功能蛋白。

　　進一步，科研團隊對PodJ蛋白的結構和功能域進行深入挖掘和表征。研究發現，PodJ蛋白的IDR和CC4-6兩個結構域都可以介導體外相分離發生。為了更好地剖析體內PodJ相分離的結構域，研究團隊在大腸桿菌中表達多個PodJ蛋白變體，觀察其在細胞內的蛋白定位和積累情況，并使用FRAP分析其流動性。結果顯示，僅有CC4-6能夠形成細胞區室化并展現出一定的流動性。這說明CC4-6或IDR均可在體外驅動PodJ相分離，而在細胞內，PodJ相分離可能依賴CC4-6和IDR共同發揮作用。研究通過在大腸桿菌中共表達信號功能蛋白和PodJ變體蛋白發現，IDR負責PleC和CpaE的招募，而CC4-6負責與FliG的相互作用。PodJ的體外相分離試驗進一步證實了這一點（圖3）。這說明PodJ驅動的細胞區室化可能直接介導了對細胞信號功能蛋白的招募，從而在細胞新極的組織和構建過程中發揮作用。

　　在真核細胞中，不對稱分配復合物之間往往存在相互的抑制性調節，這對于細胞極性的穩態建立同樣重要。研究推測，原核細胞中的細胞極性調控可能也存在類似機制。為此，研究團隊在11個新月柄桿菌極性蛋白中篩選到一個細胞舊極腳手架蛋白SpmX，發現其調節了PodJ在大腸桿菌的極性積累。在新月柄桿菌中，SpmX的存在負調節了PodJ細胞區室化形成。研究進一步在體外進行分析發現，SpmX可以直接抑制PodJ液滴的形成，并可以覆蓋在PodJ液滴的表面，從而抑制液滴的生長并加速液滴的老化，造成對PodJ凝聚體動力學和穩定性的損害（圖4）。上述體外和體內觀察結果表明，新月柄桿菌的新、舊細胞極重塑可能是由SpmX對PodJ相分離的抑制性調控作用所驅動。

　　該工作提出了新的微生物細胞極性構建和動態調控機制。這一機制涉及細菌新細胞極組裝以及新、舊細胞極重塑（圖5）。該研究闡述了天然蛋白通過相分離形成無膜區室的分子基礎，解析了細胞區室化的生理功能及動態調節，證實了相分離作為組裝微生物細胞極性樞紐和調節不對稱細胞分裂的關鍵作用。通過對比原核和真核細胞，研究預測相分離可能作為一種通用的生物物理機制在細胞極性發育過程發揮調控作用。同時，對于相分離及其互作組分進行功能解析，有助于進一步人工設計、合成相關元件，并為人工無膜細胞器和單細胞生命從頭合成的實現打下基礎。

　　研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院戰略性先導科技專項、廣東省基礎與應用基礎研究基金委員會和深圳市合成生物學創新研究院的支持。