卷曲螺旋与类肌动蛋白网络调控深部分支趋磁细菌磁小体细胞器组装的机制研究

《Nature Communications》：A network of coiled-coil and actin-like proteins controls the cellular organization of magnetosome organelles in deep-branching magnetotactic bacteria

本研究针对深部分枝趋磁细菌中不规则齿状磁小体组装机制不清的问题，以Desulfovibrio magneticus RS-1为模型，揭示了氢生长条件可同步化磁铁矿生物矿化过程。研究发现，早期矿化依赖跨膜蛋白（如MamB, FmpA/B），而后期链组装则由一组独特的卷曲螺旋蛋白（Mad20, 23, 25, 26）和类肌动蛋白（MamK, Mad28）网络控制，该机制不同于α-变形菌纲MTB，为理解细菌细胞器的进化多样性提供了新范式。论文发表于《Nature Communications》。

　　

在微生物世界的微观舞台上，有一类神奇的“活体指南针”——趋磁细菌（Magnetotactic Bacteria, MTB）。它们能沿着地磁场的方向游动，这种非凡的导航能力归功于其细胞内一种独特的细胞器——磁小体（Magnetosome）。磁小体是由磁铁矿（Fe₃O₄）或胶黄铁矿（Fe₃S₄）晶体构成，外面包裹着一层脂质膜，像一串纳米级的磁珠排列成链，使细菌能够感知磁场。尽管MTB分布广泛且表型多样，但过去几十年间，科学家们对磁小体形成机制的认识几乎完全来源于两个α-变形菌纲的模型物种。然而，在自然界中更为常见、被认为代表更古老祖先形态的，是那些“深部分支”的MTB（如属于Desulfobacterota门的细菌），它们能合成形状不规则的“齿状”磁小体。这些齿状磁小体是如何在细胞内有组织地排列成链的？其背后的遗传和分子机器是什么？由于绝大多数深部分支MTB难以培养且缺乏遗传操作工具，这些问题一直是该领域难以逾越的屏障。

以Desulfovibrio magneticus RS-1为代表的深部分支MTB为解决这一难题提供了突破口。RS-1是少数可培养的非α-变形菌纲MTB之一，能合成单链齿状磁小体。然而，研究其磁小体形成过程面临一个巨大挑战：在标准条件下，RS-1会同时产生用于铁储存和解毒的铁小体（Ferrosome），这些细胞器在电镜下会干扰对早期磁小体的观察。这项发表于《Nature Communications》的研究，由Virginia V. Russell、Anthony T. lavarone、Ertan Ozyamak、Carly Grant和Arash Komeili共同完成，他们首先意外地发现，在氢气氛围中培养RS-1可以特异性抑制磁铁矿的生物矿化，而不影响细菌生长或铁吸收。这一发现使得研究人员能够通过从氢气条件切换到氮气条件，来同步启动RS-1的磁小体形成过程，从而清晰地观察生物矿化的各个阶段，而无需担心铁小体的干扰。

利用这一巧妙方法，研究者们得以像观看一部慢镜头电影一样，细致描绘RS-1中磁小体从无到有、从零散到成链的完整过程。他们发现，磁性晶体的形成并非始于细胞的特定位点，而是随机分布在细胞内部。随着晶体逐渐成熟，它们才会被“运送”到细胞的正曲率（positive curvature）区域，即细胞弯曲的凸面。更重要的是，研究人员通过蛋白质组学分析发现，与磁小体早期形成阶段相关的蛋白质（如Mad10, MamB, FmpA, FmpB）大多含有预测的跨膜结构域，暗示着磁小体膜的存在。而到了生物矿化的后期，即链组装阶段，一组不含跨膜结构域、但富含卷曲螺旋（coiled-coil）或类肌动蛋白（actin-like）结构域的蛋白质（如Mad20, Mad23, Mad25, Mad26, Mad28, MamK）则变得尤为活跃。

为了探究这些蛋白质的功能，研究团队利用遗传学手段，系统地敲除了RS-1中的mad10, mad20, mad23, mad25, mad26, mad28和mamK基因。结果揭示了一幅令人惊叹的功能图谱：每个蛋白质都在磁小体链的组装和定位中扮演着独特而不可或缺的角色。例如，缺失mad10会导致磁小体在细胞内聚集成一团，无法形成有序的链状结构；缺失mad23则使磁小体完全散乱分布在细胞中，失去了彼此间的连接；而缺失mad28的突变体虽然能形成类似野生型的子链（subchain），但这些链却错误地定位在细胞的中央、对角线或横向位置上，而不是沿着正曲率排列。特别有趣的是mamK突变体，它完全丧失了子链结构，形成了一条连续的长链，并且每个细胞内的磁小体数量反而更多，这与在α-变形菌纲MTB中观察到的mamK缺失表型截然不同。

这些遗传学表型强烈暗示，这些Mad蛋白和MamK可能通过相互作用形成一个复杂的网络来执行功能。为了验证这一点，研究人员进行了细菌腺苷酸环化酶双杂交（BACTH）实验。结果证实了一个广泛的蛋白质相互作用网络的存在，其中Mad25像一个核心枢纽，与几乎所有其他被测蛋白都存在相互作用。这个由卷曲螺旋和类肌动蛋白构成的相互作用网络，为理解深部分支MTB中磁小体链的组装机制提供了分子基础。

基于这些发现，研究团队提出了一个全新的四步模型来描述RS-1中磁小体链的时空发育过程：第一步， nucleation and growth，生物矿化在细胞内随机位点启动；第二步，crystal maturation and localization，成熟中的晶体被转运至细胞正曲率处，Mad10等可能参与此过程；第三步，subchain assembly，Mad23, Mad25, Mad26等卷曲螺旋蛋白将聚集在正曲率处的晶体连接并稳定成子链；第四步，chain elongation and positioning，MamK负责将子链沿细胞长轴分布，而Mad28则确保整个链结构锚定在正曲率位置。

本研究主要关键技术方法包括：利用氢气和氮气氛围切换实现磁小体生物矿化的同步化；透射电子显微镜（TEM）进行超微结构观察和磁小体形态计量分析；蛋白质组学（液相色谱-质谱联用）分析不同生物矿化阶段磁小体相关的蛋白质组成；基因敲除和回补等遗传学方法研究基因功能；细菌腺苷酸双杂交（BACTH）技术探测蛋白质间相互作用。

Characteristics of early and late stages of biomineralization

通过氢-氮转换时间进程实验结合透射电镜分析，研究发现RS-1的磁小体形成是串行而非并行的。早期生物矿化阶段（C_mag1.05-1.15），细胞平均含有3个磁小体，晶体呈双峰分布，包含未成熟（各向同性生长至约30 nm）和成熟（各向异性伸长形成齿状）两种形态。重要的是，未成熟晶体随机分布，而成熟晶体则显著富集于细胞正曲率。晚期阶段（C_mag1.3-1.5），形成由多个子链构成的完整磁链，所有晶体均定位于正曲率。

Distinct proteomes differentiate early- and late-stage magnetosomes

蛋白质组学分析揭示了生物矿化不同阶段磁小体蛋白组的显著差异。早期磁小体富集跨膜蛋白（如Mad10, MamB, MamA, Mad4, FmpA, FmpB）。晚期磁小体则富集缺乏跨膜结构域的蛋白，特别是卷曲螺旋蛋白（Mad20, Mad23, Mad25, Mad26）和类肌动蛋白（MamK, Mad28），表明生物矿化后期的工作重心从膜相关活动转向链的组织。

Early magnetosome proteins regulate biomineralization activity

对早期蛋白FmpA和FmpB的遗传学分析表明，它们对晶体成熟、数量和定位至关重要。fmpA和fmpB突变体产生的晶体数量少、尺寸小、形状异常（fmpA为圆形/对称晶体，fmpB为小型WT样晶体），且大部分晶体错误定位，无法形成链状结构。这证实晶体成核发生在细胞随机位点，成熟后才被转运至正曲率，FmpA/B可能参与此转运或防止晶体在成核位点“滞留”。

Initiation of chain formation by Mad10

mad10缺失突变体（△mad10）磁性响应（C_mag）显著降低，但晶体形状和大小未变，而是聚集成簇，且在不同细胞间数量差异大。表明Mad10对磁小体链的组织至关重要，而非调控晶体形态。

A module of Mad proteins assembles the magnetosome subchain

对晚期富集的卷曲螺旋蛋白Mad20, Mad23, Mad25, Mad26的遗传学分析揭示了它们在子链组装中的核心作用。△mad23突变体的磁小体数量正常但完全分散，表明Mad23负责连接单个磁小体形成子链。△mad20突变体形成离散但形态异常（线性、环状、簇状、弯曲）的子链，且每个子链包含更多磁小体，表明Mad20调控进入子链的晶体流量。△mad25和△mad26突变体表型相似，子链多聚集成簇或环状，表明二者对维持子链线性至关重要。

MamK and Mad28 control subchain separation and chain localization

两个类肌动蛋白MamK和Mad28功能迥异。△mamK突变体形成单一连续链，无子链结构，且磁小体数量增多，表明MamK负责分布子链并可能调节磁小体产量。△mad28突变体保留子链结构，但链被错误定位（极到极、对角线、横向），表明Mad28主导将链锚定于细胞正曲率。时间进程实验进一步证实，Mad28在链组装伊始即控制其定位，而MamK在晶体成熟后调控子链分布。

Interaction Network of chain organization proteins

BACTH实验揭示了一个复杂的蛋白质相互作用网络。所有被测蛋白均存在自相互作用。Mad25作为核心枢纽，与所有其他蛋白相互作用。Mad20, Mad23, Mad26, MamK各与三个及以上蛋白存在相互作用。Mad28仅与Mad25相互作用。强相互作用存在于Mad25-Mad26以及Mad25-Mad23之间。该网络为遗传学表型提供了分子互作基础。

A model for magnetosome formation in RS-1

综合所有数据，研究提出了RS-1磁小体链形成的四步模型，清晰地勾勒出从随机成核到有序链装的全过程，并明确了各Mad蛋白、MamK和Mad28在其中的具体作用环节。

综上所述，这项研究不仅揭示了深部分支趋磁细菌中一条不同于α-变形菌纲的、由卷曲螺旋和类肌动蛋白网络介导的磁小体链组装新通路，更重要的是，它展示了细菌细胞器在进化过程中如何利用不同的蛋白质工具箱实现相似功能（磁链组装）的生动实例。研究所建立的氢-氮转换同步化方法为研究其他难以同步化的细菌细胞器生物发生过程提供了新思路。该发现深化了我们对生物矿化和微生物细胞器进化多样性的理解，并为未来利用合成生物学手段定制的磁性纳米材料奠定了基础。研究指出，尽管不同谱系MTB用于组织磁链的具体蛋白质不同，但它们可能解决了相似的物理限制（如齿状磁晶体的磁晶取向与导航功能的冲突），这为理解复杂性状的趋同进化提供了新的视角。