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大多數細胞通過對稱分裂進行增殖，產生兩個大小均等的子細胞。如何在細胞分裂過程中保障均等分裂，需要復雜的調控機制。藍藻（藍細菌）是地球上最早出現的放養光合生物，對于地球環境進化及生命進化起了決定性的作用。在富營養條件下，藍藻的大量繁殖會造成具有環境危害的水華。藍藻細胞的繁殖依賴于細胞分裂，其分裂過程也屬于均等的對稱分裂， 但其決定機制未知。中國科學院水生生物研究所張承才團隊最新發表于PNAS Nexus雜志的文章對相關機制的研究取得了重要突破。該團隊之前的研究發現（Sakr et al., J. Bacteriol, 2006），在絲狀多細胞藍藻Anabaena中，細胞分裂板相對于每個細胞的長軸以90°角垂直排列，表明在菌絲上的每一個細胞單元中，分裂板的位置和角度都受到精確調控，以便菌絲可以沿長軸在單一維度上進行生長。

該團隊近期發表的工作顯示細胞分裂復合體組分之一的蛋白酶HetF能夠特異性剪切細胞分裂和異形胞分化抑制因子PatU3，從而控制Anabaena細胞分裂和異形胞分化過程（Xing et al., mBio，2021；PNAS，2022）。但PatU3在細胞分裂過程中的功能未知。該團隊最近發現，相較于野生型細胞在一維軸上的生長及分裂而產生的直形藻絲，patU3基因失活會導致細胞在二維空間上發生非對稱分裂，從而產生大小不一的細胞和扭曲的藻絲（圖1）。藍藻也具有細菌中控制均等分裂的保守基因minCD，而minCD基因的缺失只影響細胞分裂對稱性，但基本不影響分裂板相對于細胞長軸的角度（圖1）。有趣的是，當patU3和minCD均失活后，細胞可以在三維度上以360°角在任何位點進行隨機分裂，不僅產生大小不一的細胞，還產生分支狀藻絲（圖1）；而野生型的細胞分裂版總是位于細胞中間位置從而產生大小均一的子細胞。基于這些結果，他們提出Min系統和PatU3抑制Anabaena細胞非中間區域的潛在分裂位點，PatU3作用于靠近細胞中心的亞區域，而MinCD更接近細胞極性位點（圖1C）。 此外，PatU3還將分裂板的角度限制在相對于長細胞軸的90°角，即維持藻絲的一維生長。此兩套系統的協調作用能夠保障細胞分裂以垂直方位發生在細胞中間位置，造成均等分裂。相關工作在線發表于PNAS nexus 雜志，劉靜和刑偉越為共同第一作者（https://doi.org/10.1093/pnasnexus/pgac307）。

圖1：Anabaena細胞分裂位點定位的三維調控。（A）不同菌株的HADA（7-hydroxycoumarin-amino-D-alanine）染色，標識分裂板，白色），和AO染色（acridine orange，標識DNA，綠色）的共聚焦顯微圖像，及A和B的疊加（merge）。比例尺如圖所示。（B） 圖A的代表性菌絲示意圖（用紅色虛線框出），紅色實線表示分裂平面。（C）PatU3和Min在Anabaena的細胞分裂位點定位的三維控制的模型。x、y 和 z表示細胞的三個維度。紅色虛線代表潛在的細胞分裂位點，極性位點被Min系統抑制以及靠近細胞中心的位點被PatU3抑制。藍色實線代表細胞分裂過程中實際能夠發生的分裂平面。

這項研究證明一個以三維方式運行的調控系統，用于控制Anabaena的細胞分裂過程。多細胞行為的出現是生物進化的標志，這種三維協調系統可能是進化過程中出現，以便于協調多細胞藻絲上不同細胞之間分裂平面的位置來維持藻絲形態，從而有利于藻絲生長。這項研究為研究絲狀藍藻中細胞分裂位點的定位機制提供了新的方向和思路，也有助于深入理解藍藻繁殖的過程及其控制手段。

這項工作得到了國家自然科學基金（92051106、青年計劃31800033和32200028）以及水生所特色研究所服務項目（Y85Z061601）的支持。

標簽： 細胞分裂