一类新的细菌类肌动蛋白蛋白家族在丝状蓝细菌中调控细胞形态

《mSphere》：A new family of bacterial actin-like proteins regulates cell morphology in a filamentous cyanobacterium

本研究鉴定并表征了丝状蓝细菌Nostoc punctiforme中的FcmB蛋白，属于第五类细菌类似肌动蛋白蛋白（BALP）家族。FcmB起源于质粒分隔系统，通过水平基因转移整合到染色体，与MreB在功能上相似但进化无关。FcmB-FcmC复合体调控细胞壁合成，维持杆状形态，其缺失导致细胞形态异常。该系统的存在解释了丝状蓝细菌形态可塑性机制。

　　### 从细菌到蓝藻：FcmB蛋白的发现与功能解析

在生物界中，肌动蛋白蛋白以其广泛的存在和多样的功能而著称。从真核生物到原核生物，肌动蛋白家族的成员在细胞结构的维持、运动、分裂及形态调控等方面发挥着重要作用。然而，直到最近，科学家们才意识到细菌中也存在类似肌动蛋白的蛋白，这些蛋白被称为细菌肌动蛋白样蛋白（BALPs）。BALPs在结构上与真核肌动蛋白相似，但其功能却展现出更大的多样性，涵盖从质粒分离到磁小体定位，再到细胞形态调控等过程。在本研究中，我们首次发现了一种新的BALP家族——FcmB，并揭示了其在丝状蓝藻中的关键作用。

#### 蓝藻中的BALP：已知与未知

在已知的BALP家族中，有四种已被详细研究并定义：ParM负责质粒分离，FtsA参与细胞分裂，MamK引导磁小体的定位，而MreB则与细胞形态的维持密切相关。然而，在光合蓝藻中，许多已知的BALP家族成员却并不常见，尤其是ParM型质粒分离蛋白，其在丝状蓝藻中几乎不存在。尽管如此，MreB蛋白却在几乎所有光合蓝藻中高度保守，其功能也得到了广泛验证。MreB蛋白能够形成膜结合的丝状结构，这些结构在细胞壁合成过程中起到关键作用，从而维持细胞的杆状形态。然而，MreB在一些蓝藻中并未表现出明显的杆状形态，这引发了科学家对MreB功能机制的深入思考。

更进一步，丝状蓝藻展现出显著的形态可塑性，能够在不同环境条件下切换细胞形态，例如从球形向杆状转变。这种形态变化在互补性光适应（CCA）和激素丝（hormogonium）发育过程中尤为明显。在某些蓝藻中，如Fremyella diplosiphon，光质的变化会触发细胞形态的改变，同时影响光合色素的合成。而在Nostoc punctiforme中，激素丝的发育会引发细胞形态的显著变化，包括末端细胞的锥形化。这些现象表明，细胞形态的变化可能受到多种因素的调控，而不仅仅是MreB蛋白的作用。

#### FcmB的发现与功能验证

本研究通过基因组分析和功能验证，发现了一种新的BALP——FcmB。FcmB蛋白在Nostoc punctiforme中高度保守，但仅在丝状蓝藻中存在，而不在单细胞蓝藻中发现。这表明FcmB可能是在进化过程中通过水平基因转移获得，并随后整合进丝状蓝藻的基因组中。FcmB与ParM蛋白具有高度的结构相似性，尤其是在核苷酸结合位点方面，这进一步支持了FcmB起源于质粒分离系统的假设。

为了验证FcmB的功能，我们构建了缺失FcmB和FcmC的突变株，并观察其形态变化。结果显示，ΔfcmB和ΔfcmC突变株的细胞形态发生了显著改变，表现为细胞变宽、变圆，且失去杆状结构。这种现象与MreB突变株的形态变化非常相似，但FcmB与MreB并非同源基因，而是通过不同的进化路径获得的。这表明，在某些蓝藻中，细胞形态的调控可能涉及多个不同的蛋白系统，而不仅仅是MreB。

#### FcmB与FcmC的相互作用

FcmB和FcmC之间的相互作用是其功能实现的关键。通过荧光蛋白融合和免疫荧光技术，我们发现FcmB能够形成膜结合的丝状结构，这些结构围绕细胞的周缘排列，而FcmC则定位于膜相关的离散焦点。FcmC在FcmB的膜定位中起着至关重要的作用，其缺失会导致FcmB的定位异常，进而影响细胞形态的维持。这表明FcmB和FcmC可能形成一种特殊的复合体，共同参与细胞形态的调控。

此外，我们通过细菌腺苷酸环化酶双杂交（BACTH）实验，进一步验证了FcmB和FcmC之间的直接相互作用。结果显示，FcmB和FcmC能够形成同源复合体，而它们与MreB、MreC和MreD等已知的杆状复合体蛋白之间没有明显的相互作用。这说明FcmB和FcmC可能通过不同的机制影响细胞形态，而不仅仅是作为杆状复合体的辅助蛋白。

#### 形态调控的复杂性与进化意义

尽管FcmB和MreB都参与细胞形态的调控，但它们的进化路径却截然不同。MreB在许多细菌中广泛存在，并且在杆状形态的维持中发挥着基础性作用。然而，FcmB的出现则可能与蓝藻的形态可塑性进化有关。在丝状蓝藻中，形态变化不仅受到环境因素的影响，还可能与发育程序密切相关。例如，在某些蓝藻中，FcmB的表达会随着激素丝的发育而上调，这可能与其在形态变化中的作用有关。

值得注意的是，FcmB和MreB的协同作用可能使得丝状蓝藻能够在不同条件下灵活调整细胞形态。这种形态调控的多样性可能为蓝藻的适应性提供了重要的基础。例如，在某些情况下，FcmB可能通过形成特定的结构来促进细胞壁的合成，而在其他情况下，它可能通过施加收缩力来改变细胞的形状。这种功能的多样性使得FcmB成为一种重要的形态调控蛋白，其在蓝藻进化中的作用可能远超其在其他细菌中的功能。

#### 研究方法与技术细节

为了更深入地研究FcmB和FcmC的功能，我们采用了多种实验方法。首先，通过基因敲除实验，我们构建了ΔfcmB和ΔfcmC突变株，并观察其形态变化。结果显示，这些突变株的细胞形态发生了显著改变，与MreB突变株相似，但FcmB和MreB的表达模式却有所不同。随后，我们通过荧光蛋白融合技术，对FcmB和FcmC的定位进行了可视化。结果显示，FcmB在膜上形成环状结构，而FcmC则定位于膜相关的焦点，这进一步支持了它们在形态调控中的协同作用。

此外，我们还利用荧光显微镜和三维超分辨显微镜（SIM）技术，对FcmB和FcmC的定位进行了更精确的分析。SIM技术能够提供更高的分辨率，使我们能够观察到FcmB在细胞内的分布模式。结果表明，FcmB在膜上形成环状结构，而FcmC则主要集中在膜相关区域。这种定位模式与已知的杆状复合体蛋白不同，表明FcmB和FcmC可能通过不同的机制影响细胞形态。

#### FcmB的表达与调控

为了进一步探讨FcmB和FcmC的表达模式，我们分析了它们在不同发育阶段的转录水平。结果显示，FcmB和FcmC的表达在激素丝发育过程中显著上调，尤其是在诱导后的6小时内达到峰值。这种表达模式可能与其在形态变化中的作用有关，因为激素丝的发育通常伴随着细胞形态的显著变化。然而，FcmB和FcmC的表达并不依赖于已知的σ因子，如SigJ和SigC，这表明它们的调控可能涉及其他机制。

#### 形态变化的机制与意义

尽管FcmB和MreB都参与细胞形态的调控，但它们的作用机制可能不同。MreB主要通过形成膜结合的丝状结构来维持细胞的杆状形态，而FcmB可能通过其他方式，如施加收缩力或调控细胞壁合成，来实现这一目标。这种差异可能使得蓝藻能够在不同的环境条件下灵活调整其形态，从而适应多变的生存环境。

此外，FcmB的表达和定位可能受到细胞内多种因素的影响。例如，光照和膜极化可能会影响FcmB的定位。我们发现，长时间的光照会导致FcmB-GFP从膜上脱落，并在细胞质中积累。这种现象可能与细胞内信号传导有关，而不仅仅是由于荧光标记的干扰。这提示我们，FcmB的定位可能受到细胞内多种信号的调控，从而影响其功能。

#### 结论与展望

本研究首次发现并验证了FcmB作为第五种BALP的功能，揭示了其在丝状蓝藻形态调控中的关键作用。FcmB和FcmC的相互作用表明，它们可能形成一种特殊的复合体，共同参与细胞形态的维持。然而，FcmB如何具体影响细胞形态，仍然是一个未解之谜。未来的研究可以进一步探讨FcmB与细胞壁合成之间的关系，以及其在不同发育阶段中的作用机制。

此外，FcmB的进化起源为理解蓝藻形态可塑性的分子基础提供了新的视角。通过水平基因转移获得的FcmB可能为蓝藻的形态变化提供了额外的调控手段，使其能够在不同环境中适应和生存。这一发现不仅丰富了我们对BALP家族的认识，也为研究蓝藻的形态调控机制提供了重要的线索。未来，随着更多研究的深入，我们有望揭示FcmB在细胞形态变化中的具体作用，以及其与其他蛋白系统的相互作用网络。