将一种DNA分离机制重新用于构建一个控制细胞形态的细胞骨架系统

《SCIENCE》：Repurposing of a DNA segregation machinery into a cytoskeletal system controlling cell shape

古细菌多细胞性研究中发现ParMR系统进化为细胞形态调控的CorMR系统，通过动态不稳定的双链螺旋丝状体与膜结合蛋白协同作用，并受MinC系统空间调控，揭示细菌细胞骨架的模块化重组机制。

　　

编辑总结

复杂的细胞结构是如何演化的？Springstein等人发现，DNA分离机制在多细胞蓝细菌中被重新设计成一个用于控制细胞形状的细胞骨架系统。该系统在细胞膜上形成动态的纤维状结构，其组织过程由Min系统调控，Min系统是细菌分裂过程中的一个著名调控因子。这两个古老模块的结合揭示了现有蛋白质机制如何被组合和重新利用以创造新的细胞功能。这些发现突显了细菌细胞生物学的灵活性，并为多细胞性的起源提供了线索。——Stella M. Hurtley

结构摘要

引言

细胞骨架系统为细胞提供了内部蛋白质支架，赋予细胞形状并组织其内部成分。在细菌中，一个这样的系统是质粒编码的ParMR模块，它形成类似肌动蛋白的纤维，将这些低拷贝数的质粒推到分裂细胞的相对两侧，确保每个子细胞继承等量的DNA。多细胞蓝细菌（如模式蓝细菌Anabaena sp. PCC 7120）包含一个不寻常的、由染色体编码的ParMR系统，其功能至今尚不清楚，这表明这种蛋白质机制可能已经经过进化而被重新用于新的细胞功能。

研究理由

Anabaena>细胞携带多个染色体拷贝，但目前尚未描述任何专门的DNA分离系统。由于ParMR系统通常用于DNA分配，我们最初研究了Anabaena中的染色体ParMR是否有助于细胞分裂过程中的染色体分配。然而，当我们删除相应的基因后，DNA分配看起来正常，但细胞变得更大且更接近球形，这与缺乏形态决定蛋白MreB的突变体相似。这一意外的表型促使我们进一步研究染色体ParMR是否已经进化为一种控制细胞形状而非DNA分离的细胞骨架系统。

结果

通过比较基因组学研究，我们发现染色体ParMR系统仅存在于多细胞蓝细菌中。活细胞高分辨率荧光显微镜和冷冻电子断层扫描显示，这些纤维状结构主要垂直于细胞长轴形成于内膜下方。这些意外发现促使我们将Anabaena的染色体ParMR系统重新命名为CorMR（即皮层ParMR），因为它作为一种新的细胞骨架系统参与细胞形状的维持，而不是质粒DNA的分离。

生化实验和人工膜上的体外重组实验表明，CorR能够将CorM招募到脂质双层膜上，CorM纤维会在那里生长后突然崩解，这种行为被称为动态不稳定性。冷冻电子显微镜揭示了CorM纤维具有该蛋白质家族中尚未描述过的结构：由两条反平行链组成的双极螺旋结构。

为了识别该系统的调控因子，我们结合了结构预测、相互作用分析和体外生化实验，发现著名的细胞分裂抑制剂MinC可以直接与CorM结合。在多细胞蓝细菌中，MinC的N端区域发生了扩展，该区域与CorR在CorM上的结合位点相同。MinC能够在体外有效解聚CorM纤维，并在活细胞中通过其振荡作用阻止CorM在细胞极点和分裂位点的聚合。

结论

我们的研究揭示了一个典型的例子：古老的质粒DNA分离系统ParMR在进化过程中被重新利用，形成了与膜相关的CorMR细胞骨架，用于控制多细胞蓝细菌的细胞形状。CorMR系统的出现涉及三个相互关联的创新：保留动态不稳定性的双极CorM纤维的进化、CorR获得膜结合能力，以及利用振荡的Min系统作为空间调控因子来控制CorM的定位。我们的发现突显了细菌细胞骨架系统的可塑性，并说明了现有生化模块如何在多细胞性进化过程中被整合以支持新的功能。

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一个现有聚合物系统的重新利用展示了细胞骨架创新如何促进细菌细胞复杂性和多细胞性的出现。

（顶部）ParMR质粒分离系统向蓝细菌CorMR细胞骨架的进化多样化和功能转变。（左下）CorMR形成动态不稳定的皮层纤维，控制细胞形状。（右下）MinC的振荡作用使CorM纤维远离细胞间的接触和分裂平面。

摘要

与真核生物一样，细菌也利用保守的细胞骨架系统进行细胞内组织。质粒编码的ParMRC系统形成类似肌动蛋白的纤维，用于分离低拷贝数的质粒。在多细胞蓝细菌（如Anabaena sp.）中，我们发现一个由染色体编码的ParMR系统进化成了名为CorMR的细胞骨架系统，其功能是控制细胞形状而非DNA分离。活细胞成像、体外重组和冷冻电子显微镜显示，CorM形成动态不稳定的双链纤维，这些纤维通过多细胞蓝细菌中保守的两亲性螺旋结构被CorR招募到膜上。CorMR纤维受到MinC的调控，使其远离细胞极点和分裂平面。比较基因组学研究表明，ParMR和Min系统的重新利用与蓝细菌的多细胞性共同进化，突显了细菌细胞骨架系统的进化可塑性。