絲狀藍細菌（藍藻）是地球上最早出現(xiàn)的多細胞生物之一。很多絲狀藍細菌，如魚腥藍細菌Anabaena/Nostoc PCC 7120 (Anabaena) 可以在培養(yǎng)基中缺乏化合態(tài)氮源的情況下，分化出可以利用氮氣作為氮源的、執(zhí)行固氮作用的特殊細胞，稱為異形胞。兩個異形胞之間一般間隔10個左右的營養(yǎng)細胞。營養(yǎng)細胞執(zhí)行光合作用并由此利用二氧化碳作為碳源，異形胞執(zhí)行固氮作用。兩類細胞在碳氮源上互通有無，以多細胞行為共同維持了菌絲的生長。一個多細胞的Anabaena菌絲具有顯著的有機整體的特征。異形胞失去分裂功能，菌絲生長依賴于營養(yǎng)細胞的分裂。 

　　那么，細胞分裂和細胞（異形胞）分化，有什么內(nèi)在聯(lián)系嗎？中國科學院水生生物研究所張承才研究員團隊的早期工作已經(jīng)證明，異形胞分化依賴于細胞分裂過程，但遺傳學機制尚不清楚。最近，該團隊在mBio 雜志 (Wei-Yue Xing, Jing Liu, Zi-Qian Wang, Ju-Yuan Zhang, Xiaoli Zeng, Yiling Yang and Cheng-Cai Zhang. 2021.HetF protein is a new divisome component in a filamentous and developmental cyanobacterium. mBio, 12:e0138221) 和Environmental Microbiology雜志 (Li Wang, Tian-Cai Niu, Ana Valladares, Gui-Ming Lin, Ju-Yuan Zhang, Antonia Herrero, Wenli Chen, Cheng-Cai Zhang. 2021. The developmental regulator PatD modulates assembly of the cell-division protein FtsZ in the cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120. Env. Microbiol. 23:4823-4837。同華中農(nóng)業(yè)大學及西班牙Sevilla大學合作) 發(fā)表的研究成果，對這一問題的理解跨出了重要一步。 

　　FtsZ 是一種微管蛋白，可聚合形成細絲在細胞中間成環(huán)，啟動細菌的細胞分裂并介導分裂板肽聚糖層伴隨細胞分裂的重構(gòu)。異形胞是絲狀藍藻的末端分化細胞，它們失去了細胞分裂能力且其中的ftsZ基因被下調(diào)。發(fā)表于mBio 雜志的研究成果顯示異形胞發(fā)育因子HetF在某些環(huán)境條件下直接參與營養(yǎng)細胞的分裂，另一項發(fā)表于Environmental Microbiology的研究成果則顯示異形胞發(fā)育因子PatD可通過影響分化細胞中FtsZ的活性來調(diào)控異形胞分化。這些研究揭示了細胞分裂和異形胞分化之間存在著聯(lián)動機制，為異形胞分化研究開辟了一個新的視角。 

　　發(fā)表于mBio雜志的新研究發(fā)現(xiàn)，異形胞發(fā)育促進因子HetF不僅參與異形胞發(fā)育也在細胞分裂中發(fā)揮重要作用，但它對細胞分裂的影響是條件依賴型的。hetF是異形胞分化所必需的一個基因，其表達模式與細胞分裂基因ftsZ相同，即在營養(yǎng)細胞中穩(wěn)定表達，而在異形胞中下調(diào)表達。在需要hetF參與細胞分裂的培養(yǎng)條件下， hetF 突變體的細胞停止分裂，多個FtsZ 環(huán)可平行存在于不分裂的長細胞中；同時，細胞分裂板的肽聚糖合成停滯 (Fig. 1)。HetF 是一種定位于細胞分裂板和細胞-細胞連接處的膜蛋白，通過與催化分裂板肽聚糖合成的FtsI 相互作用被招募到或穩(wěn)定在細胞分裂位點。該研究首次提出HetF是Anabaena細胞分裂體 (divisome)的一個組分，在某些培養(yǎng)條件下直接參與細胞分裂板肽聚糖的合成。 

Fig. 1 FtsZ環(huán)形成和追蹤肽聚糖合成的HADA標記。 (A) 野生型 (WT) 和ΔhetF中的 FtsZ 環(huán)形成。白色箭頭表示不分裂長細胞中的 FtsZ-CFP 環(huán)。(B) HADA 標記顯示的肽聚糖合成。白色箭頭表示不分裂長細胞中的 HADA 標記。 ΔhetF::ftsZ-cfp 和ΔhetF的細胞分裂停滯表型是通過在正常光照強度(SL，30 μmol/(m²·s))下的 BG11 (NO₃^-) 中生長 2天誘導出來的。LL: 低光照強度，7 μmol/(m²·s)。比例尺，10 μm。(doi: 10.1128/mBio.01382-21.) 

　　發(fā)表于Environmental Microbiology雜志的新研究顯示，在異形胞中上調(diào)表達的異形胞發(fā)育抑制因子patD的失活導致營養(yǎng)細胞的細胞中間有更粗的FtsZ 環(huán)形成、異形胞頻率上升，而其超表達導致營養(yǎng)細胞中FtsZ無法聚合成環(huán)而引起細胞分裂停滯的表型，且異形胞頻率降低。在體外沉降實驗中，PatD與FtsZ形成了粗且直的FtsZ束，這不同于由FtsZ單獨形成的環(huán)形聚合物 (Fig. 2)。這些結(jié)果表明，在分化細胞中，PatD可能通過干擾FtsZ的組裝來影響異形胞分化。通過改變FtsZ的活性或相對量，可以模擬patD缺失或超表達的表型。由此，該研究提出Anabaena中的FtsZ 是一種雙功能蛋白，除了參與營養(yǎng)細胞分裂的傳統(tǒng)觀點之外，也參入并調(diào)節(jié)異形胞分化。 

Fig. 2 PatD對FtsZ形成的聚合物形態(tài)的影響。通過TEM觀察由純化的FtsZ (5.6 μM) 與（右圖）或不與 (左圖) 純化的 PatD (9 μM) 孵育形成的聚合物。 兩張圖片的放大倍數(shù)相同。(doi: 10.1111/1462-2920.15682.) 

　　相關(guān)研究得到了中國科學院前沿科學重點研究項目 (QYZDJ-SSW-SMC016)、基金委重大研究計劃項目 (92051106)、基金委青年項目 (31800033) 和中國科學院戰(zhàn)略重點研究項目 (XDPB18) 的資助。 

　　相關(guān)鏈接如下：https://journals.asm.org/doi/10.1128/mBio.01382-21；  

　　              https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1462-2920.15682