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細胞分裂（cell division）是生物體中細胞增殖的過程，通過這一過程，一個母細胞（mother cell）復制其所有必要的成分，并分成兩個或更多個具有相似遺傳信息的子細胞（daughter cells）。細胞分裂對于維持生命活動至關重要，是所有細胞生命的基礎。無論是對于單細胞生物的增長和繁殖，還是對于多細胞生物的生長、修復損傷組織和生殖都是不可少的。
古細菌作為地球上最早出現的生命形式之一，其細胞分裂機制能提供關于早期生命如何增殖和演變的重要線索。通過了解古細菌的分裂方式，科學家可以更好地理解生命起源時原始細胞的復制機制，以及后來不同生物域的細胞分裂方式的演化過程。大多數古細菌使用原核微管蛋白同源物FtsZ或運輸所需的內體分選復合物（ESCRT）（也稱為Cdv系統）來實現細胞分裂，但這兩種系統都沒有得到可靠的表征，人們對于古細菌的分裂系統及其調控機制了解相對較少。
2024年3月4日，武漢大學生命科學學院杜世燊團隊在Nature Microbiology（IF：30.964）上發表了題為“Widespread photosynthesis reaction centre barrel proteins are necessary for haloarchaeal cell division”的研究論文，該論文以沃氏富鹽菌（Haloferax volcanii）為模型，發現了能調控細胞分裂的新型CdpB蛋白，揭示CdpB蛋白在細胞分裂過程中的作用機制，表明光合作用反應中心（PRC）桶蛋白在古菌的細胞分裂中起到重要作用，以期為深入理解細胞分裂的調控機制提供新的視角。
圖1.CdpB1-GFP與已知細胞分裂蛋白共定位的代表性圖像（圖片來自原文）
研究人員通過同源重組構建雙元表達質粒，判斷不同分裂基因能否雙重表達。結果顯示HVO_1691的熒光蛋白融合定位于細胞中（圖1），且與已知的細胞分裂蛋白FtsZ1、FtsZ2和SepF存在熒光共定位的情況，共定位百分比可達100%。表明HVO_1691蛋白在細胞分裂中起著重要作用，并將其重命名為細胞分裂蛋白B1 (CdpB1)。
圖2.CdpB1的缺失導致細胞分裂后形態缺陷（圖片來自原文）
圖3.去除色氨酸后cdpB1s轉錄水平的RT-qPCR分析（圖片來自原文）
為了確認CdpB1參與細胞分裂，研究人員構建His標記和非標記的CdpB1缺失菌株，將其啟動子替換為色氨酸誘導啟動子Ptna，使其表達受色氨酸調節。在色氨酸存在下，細胞生長良好；當從培養物中去除色氨酸后，細胞逐漸變大和畸形（圖2）。定量PCR逆轉錄（RT-qPCR）和蛋白質印跡分析證實，去除色氨酸后，cdpB1轉錄本和His-CdpB1蛋白水平急劇降低（圖2和圖3）。表明CdpB1對細胞分裂和細胞形態至關重要，降低它的表達水平導致細胞分裂及形態出現嚴重缺陷。
圖4.PRC桶蛋白在鹽古菌細胞分裂中廣泛保守（圖片來自原文）
a：PRC桶蛋白PRC桶狀蛋白在Natrinema sp. J7和H. hispanica細胞中定位的代表性圖像。b：CdpB1缺失的H. volcanii細胞分別與CdpB1或其同源物NJ7GCdpB1和HAHCdpB1互補的代表性圖像。c：CdpB1同源物的缺失分別在Natrinema sp. J7和H. hispanica細胞中引起嚴重和中度分裂缺陷。
進一步研究發現，CdpB1直接與細胞分裂蛋白FtsZ的膜錨定蛋白SepF相互作用，依賴FtsZ來調控細胞分裂。CdpB1的家族成員CdpB2和CdpB3也參與細胞分裂過程，但其缺失對細胞分裂的影響不同。CdpB蛋白的同源物也參與其他鹽古菌的細胞分裂，表明CdpB1蛋白的細胞分裂功能在不同物種中高度保守（圖4）。比較基因組學分析和系統發育樹顯示，CdpB蛋白是PRC-barrel蛋白超家族的成員，含有PRC結構域，廣泛分布于各種古菌分支中。值得注意的是，古菌ESCRT細胞分裂系統中的關鍵蛋白CdvA也含有PRC結構域，表明PRC結構域在古菌細胞分裂系統中具有廣泛而保守的作用。綜合分析表明，PRC蛋白家族是古菌細胞分裂系統中的重要組成部分，可能作為適配器招募其他參與細胞分裂的蛋白，在古菌細胞分裂中具有保守功能。
綜上所述，本研究發現了一類廣泛保守的古菌細胞分裂蛋白并初步揭示了其分子機制，這些發現為細胞分裂機器的演化提供了新的見解，為深入研究古菌細胞分裂機制及分裂機器的演化奠定了基礎。
在該研究中，研究人員選擇了翌圣克隆試劑盒用于構建表達載體、qPCR Mix用于基因表達情況分析、高保真酶用于擴增目的片段。
（截圖來自原文Data 7）
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