从内在无序蛋白质的液-液相分离角度来观察细菌细胞的极部

《Current Research in Translational Medicine》：Looking at bacterial cell poles from a liquid-liquid phase separation of intrinsically disordered proteins perspective

该研究通过生物信息学工具评估了19个细菌极相关蛋白的内在无序性（IDP）及液液相分离（LLPS）潜力，发现11个高度无序蛋白（如TipN、PopZ、PBP2A）可自发LLPS，FtsZ、DivIVA、MipZ为关键调控蛋白，且IDP特性在进化中高度保守，揭示了极体形成与细胞分裂调控的分子机制。

　　### 基因与生物工程领域中的细菌细胞极性蛋白：无序性与液-液相分离现象的研究

在微生物学与细胞生物学的研究中，细菌细胞极性蛋白扮演着至关重要的角色。这些蛋白不仅影响细菌的细胞结构和形态，还参与多种关键的细胞过程，如细胞周期调控、趋化性、细胞分化、发育、生长以及蛋白质的定位。近年来，随着生物信息学工具的发展，科学家们发现这些极性蛋白中存在大量内在无序区域（Intrinsically Disordered Proteins, IDPs），并且这些无序区域可能通过自发的液-液相分离（Liquid-Liquid Phase Separation, LLPS）机制在细胞组织中发挥重要作用。本研究通过一系列生物信息学分析，探讨了19种与细菌细胞极性相关的蛋白的无序性倾向及其与LLPS之间的潜在关系。

#### 极性蛋白的功能与细胞结构

细菌细胞的极性结构是细胞调控机制的重要组成部分，它们不仅帮助维持细胞的形态和结构，还在细胞分裂、染色体分离、细胞运动以及应激反应中起关键作用。例如，FtsZ是细胞分裂过程中形成Z环的关键蛋白，它通过自我聚合形成环状结构，从而引导细胞分裂的进行。此外，MipZ和DivIVA等蛋白在调控Z环的位置和分裂平面的确定方面发挥重要作用，而MinC、MinD等蛋白则通过其动态行为影响细胞分裂的位置。在一些细菌中，如芽孢杆菌（*Bacillus subtilis*），这些极性蛋白通过相互作用和调控机制，确保细胞分裂的准确性和有序性。

除了细胞分裂，极性蛋白还参与染色体的定位与分离。例如，RacA和ParB等蛋白在染色体锚定和分割过程中起到重要作用。它们通过与染色体的特定序列结合，帮助染色体在细胞分裂过程中正确地分布到子细胞中。此外，一些极性蛋白还参与细胞膜的结构调控，如TipN和PopZ，它们不仅影响细胞膜的稳定性，还在维持细胞对某些抗生素的抗性方面发挥关键作用。这些蛋白的无序性特征可能使其能够更灵活地适应不同的细胞环境，从而在细胞功能调控中展现出更高的效率和多样性。

#### 无序蛋白的LLPS潜力与功能关联

本研究采用多种生物信息学工具，分析了19种极性蛋白的无序性倾向及其与LLPS之间的关系。结果表明，其中11种蛋白被预测为高度无序，7种为中度无序，仅有一种蛋白（MinJ）被预测为高度有序。这种无序性倾向在进化上具有高度的保守性，说明这些蛋白在不同细菌中可能具有相似的功能机制。

LLPS是一种由无序蛋白在特定条件下自发形成液态相分离的现象，它在细胞内的多种功能中具有重要作用，例如形成动态的细胞器、调控基因表达、维持细胞形态等。研究发现，TipN、PopZ和PBP2A这三种蛋白具有较高的LLPS潜力（p_LLPS ≥ 0.60），因此它们可能作为液滴驱动蛋白（droplet drivers），即能够独立进行LLPS的蛋白。而其他如RacA、Noc、PBP1A/1B、ParB、PBP3、PBP2B、FtsZ、MipZ、MinD和MreB等蛋白虽然无序性较高，但它们的LLPS潜力低于阈值，因此可能作为液滴客户蛋白（droplet clients），即依赖于其他蛋白形成的液滴环境进行相分离。这些发现表明，无序蛋白在LLPS中的作用可能是多方面的，既有直接的驱动作用，也有间接的客户参与。

值得注意的是，尽管无序蛋白具有较高的LLPS潜力，但并非所有高度无序的蛋白都能成为驱动蛋白。例如，DivIVA虽然具有较高的无序性，但其LLPS潜力较低，说明其功能可能更多地依赖于其与其他蛋白的相互作用。这种差异可能与蛋白的结构特征、功能需求以及细胞环境的调控有关。

#### 无序蛋白的结构与功能特性

为了进一步了解这些极性蛋白的结构特征，研究者利用AlphaFold对19种蛋白进行了3D结构建模。结果显示，这些蛋白的结构存在显著的无序区域，尤其是在高无序性的蛋白中，这些区域往往在结构模型中表现为低置信度的预测区域。例如，TipN和PopZ的结构模型中，多个无序区域被预测为高度动态的结构元素，这可能与它们在细胞极性调控中的灵活性有关。

此外，研究还发现，某些无序蛋白的结构可能具有特殊的功能性，如RacA的DNA结合域和其与染色体的相互作用。尽管其整体结构可能较为无序，但在特定条件下，如与DNA结合时，其结构可能会发生一定的有序化，从而执行特定的生物学功能。这种无序到有序的转变（Molecular Recognition Features, MoRFs）是许多无序蛋白在执行其功能时的重要机制。

#### 极性蛋白的进化保守性

研究还分析了这些极性蛋白在不同细菌中的进化保守性。结果表明，许多极性蛋白的无序性倾向在不同物种中具有高度一致性，这表明这些蛋白的功能可能在进化过程中被保留下来。例如，TipN和PopZ在多种细菌中被发现具有类似的无序性特征，并且它们在细胞极性调控中扮演着相似的角色。这种进化保守性可能与它们在细胞分裂、染色体分离等关键过程中的功能密切相关。

然而，也有一些蛋白的无序性倾向在不同物种中存在差异。例如，MinJ在不同细菌中的无序性程度较低，说明其功能可能更依赖于有序结构的形成。这可能意味着MinJ在细胞分裂过程中具有特定的结构要求，而其他极性蛋白则更倾向于利用其无序性来适应不同的细胞环境。

#### 极性蛋白的相互作用网络

通过STRING数据库的分析，研究者进一步探讨了这些极性蛋白的相互作用网络。结果表明，这些蛋白不仅与自身形成复杂的相互作用，还与其他多种蛋白（如DNA结合蛋白、信号转导蛋白、细胞膜相关蛋白等）发生广泛的相互作用。例如，PopZ在细胞极性调控中扮演着中心角色，它通过与多个蛋白的相互作用，协调细胞分裂和染色体分离的过程。而DivIVA则在细胞分裂的调控中发挥重要作用，其与MinC、MinD等蛋白的相互作用可能帮助确定细胞分裂的位置。

这些相互作用网络不仅揭示了极性蛋白在细胞内的功能复杂性，还可能为研究细菌细胞的组织机制提供新的视角。例如，某些蛋白可能通过LLPS形成动态的细胞结构，从而在细胞分裂过程中提供必要的调控信号。这种现象可能在不同细菌中具有不同的表现形式，但其核心机制可能具有一定的保守性。

#### 研究意义与未来方向

本研究的结果不仅加深了我们对细菌细胞极性蛋白无序性和LLPS潜力的理解，还可能为抗菌药物的开发提供新的思路。由于这些蛋白在细胞分裂、染色体分离和细胞应激反应中起关键作用，针对它们的调控机制可能会成为新的抗菌靶点。例如，通过干扰某些极性蛋白的无序性或LLPS能力，可能影响细菌的分裂过程，从而抑制其生长。

此外，研究还强调了进一步实验验证的重要性。虽然生物信息学分析提供了初步的线索，但要全面理解这些蛋白的功能机制，仍需通过实验手段（如体外和体内分析）进行深入研究。未来的研究可以结合高分辨率结构分析、动态相互作用实验以及基因敲除或突变研究，进一步揭示这些蛋白在细胞组织中的具体作用。

总的来说，细菌细胞极性蛋白的无序性及其与LLPS的关系，为理解细菌细胞的组织机制提供了新的视角。这些蛋白的功能多样性可能与它们的无序结构和动态相互作用有关，而这种特性在进化过程中被保留下来，说明其在细菌生命活动中具有重要的适应性优势。未来的研究应继续探索这些蛋白的分子机制，以更好地理解它们在细菌细胞调控中的作用，并为相关生物技术的发展提供理论支持。