近日,中科院深圳先进技术研究院赵国屏-赵维团队在《自然-通讯》上发表了题为Phase separation modulates the assembly and dynamics of a polarity-related scaffold-signaling hub的研究成果。该研究发现脚手架蛋白通过相分离形成具有细胞命运决定功能的极性无膜区室,揭示了微生物细胞极性构建和动态调控的新机制。
文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-35000-2
脚手架蛋白广泛存在于细胞中,通常能自组装形成大分子复合物并将客户蛋白招募至特定的细胞区域,在包括信号转导、细胞分裂、形态发生和不对称分裂等生物过程中发挥作用。在果蝇和隐杆线虫中,已发现Par蛋白可以通过相分离形成无膜区室,使下游信号蛋白(如αPKC或PKC3)不对称定位和分布,从而保证了胚胎发育的正常进行[1]。这引起了研究团队关于微生物脚手架蛋白可能通过发生相分离来调控细胞极性的思考。
研究团队以细胞发育模式微生物——新月柄杆菌为研究对象。在每个细胞周期中,新月柄杆菌可不对称性分裂产生一个带鞭毛的游动子细胞和一个有柄子细胞(图1)。在细胞分裂前,一对细胞命运决定蛋白(磷酸化酶PleC和蛋白激酶DivJ)的极性定位协同调节了多个下游信号蛋白的磷酸化水平,并决定了新月柄杆菌的细胞命运。已有研究表明,蛋白激酶DivJ通过PopZ和SpmX这一对脚手架蛋白复合物被招募到旧细胞极[2]。而研究团队前期工作发现磷酸化酶PleC被一个潜在的脚手架蛋白PodJ定位到新细胞极[3]。然而,微生物脚手架蛋白如何招募细胞命运决定因子进而调控细胞极性的作用机制尚不清楚。为此,研究团队以PodJ蛋白为中心,在新月柄杆菌中开展了细胞极性建立和调控机制的探索。
图5. 脚手架蛋白调控微生物细胞极性示意图。a. PodJ结构和功能域示意图;b. PodJ相分离特征示意图;c. PodJ和SpmX共同调节新月柄杆菌细胞极组织和形成。
该论文以中科院深圳先进院博士后谭为为论文第一作者、博士后程思华和助理研究员李莹莹为论文共同第一作者,赵维副研究员为论文通讯作者,深圳先进院为论文第一完成单位和第一通讯单位。该研究得到了钟超教授和娄春波教授的宝贵建议,并获得了国家自然科学基金委、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和深圳市合成生物学创新研究院的资助。
参考文献:
1. Zhang, H., Ji, X., Li, P., Liu, C., Lou, J., Wang, Z., Wen, W., Xiao, Y., Zhang, M., & Zhu, X. Liquid-liquid phase separation in biology: mechanisms, physiological functions and human diseases. Sci. China Life Sci. 2020, 63, 953-985.
2. Perez, A. M., Mann, T. H., Lasker, K., Ahrens, D. G., Eckart, M. R., & Shapiro, L. A localized complex of two protein oligomers controls the orientation of cell polarity. mBio. 2017, 8, e02238-16.
3. Zhang, C., Zhao, W., Duvall, S. W., Kowallis, K. A. & Childers, W. S. Regulation of the activity of the bacterial histidine kinase PleC by the scaffolding protein PodJ. J. Biol. Chem. 2022, 298, 101683.
课题组介绍:
赵国屏,博士,研究员,中国科学院院士。分子微生物学家,任中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学首席科学家,复旦大学生命科学学院微生物学和微生物工程系主任等。
赵维,博士,中国科学院深圳先进技术研究院副研究员。主要研究兴趣为微生物细胞命运决定与细胞合成,近三年来,以通讯作者身份在Nature Communications, Nucleic Acids Research, Mol Cell Proteomics, J Biol Chem等杂志发表相关论文多篇,申请及获批国家发明专利多项,主持或承担科技部重点研发计划、国自然青年科学基金、中科院先导专项等科研项目或子课题。
课题组面向开发高通量蛋白筛选和基因编辑技术,致力于揭示分子代谢、极性蛋白定位、无膜细胞器组装、蛋白翻译后修饰等与微生物染色体分离、细胞分化的一般规律关系,解析其中的分子调控机制,指导分子设计与细胞合成等方面的相关应用。现招聘博士后和研究助理多人,不限背景,以有基因组编辑、分子进化、相分离等相关经验优先,欢迎感兴趣的同志投递简历至邮箱wei.zhao1@siat.ac.cn。