Science丨细菌体内的“职业转型”：从搬运DNA到撑起整个细胞的骨架

发布时间：2026-05-10 09:47 浏览量：1

撰文丨亦

细菌利用多种聚合蛋白系统来调控细胞形状、生长和分裂【1】，其中质粒编码的 ParMRC 系统通过形成类肌动蛋白丝来推动低拷贝质粒分离【2】。然而，在多细胞蓝细菌（如鱼腥藻 Anabaena sp. PCC 7120 ）的染色体上也存在一套不寻常的 ParMR 系统【3】，其功能一直未知。由于 ParMR 系统通常负责 DNA 分配【4】，研究者最初推测该染色体编码的系统可能参与蓝细菌多拷贝染色体的分离，但这一假设未得到证实。此外，蓝细菌这类形态复杂的原核生物在多细胞性进化中如何实现细胞形态维持与分裂调控的机制仍不清楚。

近日，奥地利科学技术研究所的Martin Loose和Benjamin L.Springstein合作在 Science 上发表了题为 Repurposing of a DNA segregation machinery into a cytoskeletal system controlling cell shape 的研究论文。文章报道了在多细胞蓝细菌（念珠藻目和颤藻目）中，原本用于质粒DNA分配的染色体编码ParMR系统在进化上被重新利用，转化为一种全新的、定位于细胞膜内侧皮层的细胞骨架系统，并将其重命名为CorMR（CorticalParMR），其功能已从DNA分配彻底转变为控制细胞形状。

在多细胞蓝细菌模式生物鱼腥藻的染色体上，存在一套与质粒 ParMR 系统同源的基因簇。由于 ParMR 系统的经典功能是依赖类肌动蛋白 ParM 的聚合将低拷贝质粒推向细胞两极，研究者最初推测这套染色体编码的版本可能负责分配其多拷贝染色体。为验证这一假设，作者构建了缺失该系统的 Δ corMR 突变株。 DAPI 染色显示，突变株的染色体分布模式与野生型无显著差异，表明该系统并不参与 DNA 分配。然而，突变株的细胞形态发生了明显改变：野生型细胞原本是较为短粗的杆状（长约 2.89 μm ），而突变株的细胞长度显著增加至约 3.88 μm ，整体变得肿胀而圆润，长宽比从 0.62 升高到 0.86 。这种表型与缺失经典形态决定蛋白 MreB 后的细胞非常相似。系统发生学分析进一步表明，该染色体 ParMR 系统特异存在于念珠藻目和颤藻目等多细胞蓝细菌中。基于其新的皮层定位与形态调控功能，作者将其重命名为 CorMR 系统。

为明确 CorM 蛋白在细胞内的空间排布与动态行为，作者在鱼腥藻中表达了 mNeonGreen 荧光标记的 CorM ，并采用高分辨率荧光显微镜与冷冻电子断层扫描技术进行观察。结果表明，CorM并不是弥散在细胞质中，而是整齐地在细胞膜的正下方——即细胞的“皮层”区域——组装成一根根纤细的丝状网络。这些丝的大致走向几乎与细胞的长轴垂直。实时成像显示， CorM 丝在体内展现出动态不稳定性：纤维经历缓慢延伸与突然快速解聚的交替过程。荧光漂白恢复实验表明， CorM 丝在体内呈现单向生长模式。冷冻电子断层扫描在原位条件下清晰地分辨出紧贴在细胞质膜内侧的丝状密度，确认为 CorM 蛋白的聚合物。以上证据表明，CorM构成了一种全新的、位于细胞皮层且高度动态的细胞骨架系统。

为厘清 CorM 与 CorR 各自的生化功能，作者在体外纯化了两种蛋白并进行系列重构实验。结果表明，CorM是一种ATP依赖性聚合酶，仅在 ATP 存在时才能有效组装成丝。 CorR 的 N 端含有一段两亲性螺旋（一种一侧亲水、一侧疏水的 α- 螺旋结构，能插入细胞膜的脂质双分子层），使其能够高效结合至人工脂质膜表面，而经典质粒 ParR 则不具备此能力。在膜结合状态下， CorR 可招募 CorM 并显著促进其聚合起始步骤，即促进成核过程；若 CorR 缺失两亲性螺旋或丧失膜结合能力，该促进作用随即消失。负染电镜初步观察显示， CorM 丝在形态上较经典 ParM 丝更为粗大，暗示其具有不同的组装方式。上述结果明确了CorR作为膜锚定适配器、CorM作为动态聚合元件的分工模式。

为了阐明 CorM 纤维的组装架构，研究者利用冷冻电镜单颗粒分析技术，对体外重组形成的 CorM-CorR 复合纤维进行了三维重构，获得了分辨率为 3.9 埃的密度图。结构解析揭示了一个此前在该蛋白家族中未曾描述的全新纤维架构： CorM 丝由两根原丝以反向平行的方式相互缠绕而成，形成一条双股螺旋纤维。与之形成鲜明对比的是，经典质粒分离蛋白 ParM 形成的纤维由两根同向平行的原丝组成，具有明确的极性。 CorM 的这种反向平行排列使得纤维两端在结构上完全对称，失去了极性，这一特征与细菌形态决定蛋白 MreB 的组装方式相似，但二者的螺旋扭曲度与螺距等几何参数存在显著差异。基于 AlphaFold 预测的单体模型可良好匹配至密度图中，揭示了 CorM 亚基间的纵向与侧向相互作用界面。由于 CorM 纤维结构对称，其两端在分子构成上等同，这与活细胞内观察到的单向生长现象形成反差，提示其动力学的不对称性可能并非源于纤维本身的结构极性，而是由膜结合适配器 CorR 或其他调控因子在纤维末端的非对称结合所致。

为在可控条件下模拟细胞膜环境并定量分析 CorM 丝的动力学参数，作者构建了支撑脂质双分子层（ Supported Lipid Bilayer,SLB）。简单来说，就是在玻璃片上铺一层极其平坦、可以自由流动的人造细胞膜。他们将 CorR 固定在这层膜上，再加入荧光标记的 CorM 和燃料 ATP ，然后利用全内反射荧光显微镜对荧光标记 CorM 的生长与解聚过程进行实时追踪。结果表明，膜结合 CorM 丝的两端均具有生长能力，但两端速率存在微小差异，快端约为 35.85 nm/s ，慢端约为 23.53 nm/s ，净效果呈现单向生长趋势。纤维平均生长速率为 76.63 nm/s ，而解聚速率高达 1313.42 nm/s ，约为生长速率的 17 倍，体现了典型的动态不稳定性。此外，通过同时使用两种不同颜色的荧光标记，研究者还证实了一个关键细节：在纤维生长时，已经进入纤维内部的蛋白单体是静止不动的，新的单体只会被添加到纤维的两端。

CorM 丝在体内呈现规则的横向排列，并在细胞两极及分裂位点处缺失，提示存在主动的空间负调控机制。作者利用 AlphaFold-Multimer 对 CorM 进行全蛋白质组相互作用预测，发现细胞分裂抑制蛋白 MinC 排名靠前。后续生化实验证实， MinC 可直接结合 CorM 并高效解聚已形成的 CorM 丝，其效力呈浓度依赖性。多细胞蓝细菌的 MinC 进化出一段独特的 N 端延伸序列，其中的 α- 螺旋可占据 CorM 上 CorR 的结合口袋，通过竞争性抑制机制驱离 CorR ，从而导致纤维失稳。在活细胞内， MinC 沿细胞长轴周期性振荡，在细胞两极和分裂位点形成浓度峰值，从而将 CorM 丝限制于细胞侧壁皮层区域。该发现揭示了 Min 系统在调控 FtsZ 定位之外的另一重要功能，即通过空间排阻作用塑造 CorMR 细胞骨架的分布模式。

综上，研究报道了一项关于细菌细胞骨架系统在进化中发生功能转变的重要发现，揭示了一个古老的DNA分配机器如何通过结构创新与调控网络的重连，被重新利用以服务于多细胞生命形态的构建，凸显了细菌细胞骨架系统在进化上的巨大可塑性。

制版人：十一

参考文献

1. J. Wagstaff, J. Löwe, Prokaryotic cytoskeletons: Protein filaments organizing small cells.Nat. Rev.Microbiol.16, 187–201 (2018). doi : 10.1038/nrmicro.2017. 153;pmid : 29355854

2. J. Møller-Jensen et al., Bacterial mitosis: ParM of plasmid R1 moves plasmid DNA by an actin -like insertional polymerization mechanism.Mol. Cell12, 1477–1487 (2003). doi : 10.1016/S1097-2765(03)00451-9; pmid : 14690601

3. B. L. Springstein , D. J. Nürnberg, G. L. Weiss, M. Pilhofer , K. Stucken , Structural determinants and their role in cyanobacterial morphogenesis.Life(Basel) 10, 355 (2020). doi : 10.3390/life10120355; pmid : 33348886

4. J. Salje, P. Gayathri, J. Löwe, The ParMRC system: Molecular mechanisms of plasmid segregation by actin-like filaments.Nat. Rev.Microbiol.8, 683–692 (2010). doi : 10.1038/nrmicro2425; pmid : 20844556

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