古菌Sulfolobus acidocaldarius中SegAB系统协调染色体分离与细胞分裂的双重功能

《Nature Communications》：Coordination of chromosome segregation and cell division in the archaeon Sulfolobus acidocaldarius

为解决古菌染色体分离机制不清及与细胞分裂如何偶联的问题，研究人员对嗜酸硫化叶菌（Sulfolobus acidocaldarius）的SegAB系统开展了研究。结果发现，SegAB系统不仅通过调控染色体构象促进分离，还通过SegA与细胞分裂蛋白CdvA的相互作用，抑制其过早聚合，从而确保细胞分裂在染色体正确分离后发生。该研究揭示了古菌中一种连接细菌样分离系统与真核样分裂系统的关键机制。

　　

在生命演化的宏大画卷中，古菌（Archaea）占据着一个独特而关键的位置。它们既拥有细菌般简单的细胞结构，又具备许多与真核生物（如人类）相似的分子机制，因此被视为连接原核与真核生命的重要桥梁。然而，对于古菌如何精确地复制其遗传物质并将其分配给子代细胞，即染色体分离（Chromosome Segregation）这一生命核心过程，科学界仍知之甚少。

以嗜酸硫化叶菌（Sulfolobus acidocaldarius）为代表的古菌，其细胞分裂机制尤为引人注目。它们并不使用细菌中常见的FtsZ蛋白来分裂细胞，而是依赖一套与真核生物内体分选转运复合体（ESCRT）同源的蛋白质机器。这套ESCRT系统在真核细胞中主要负责膜重塑，而在硫化叶菌中，它被“征用”来执行细胞分裂的最终步骤。其中，一个名为CdvA的硫化叶菌特有蛋白，是启动细胞分裂的关键“开关”，它首先在细胞中部组装成环状结构，随后招募ESCRT-III蛋白，最终驱动细胞膜向内凹陷，完成分裂。

与此同时，硫化叶菌的基因组中编码着一套名为SegAB的系统，其核心蛋白SegA与细菌中负责染色体分离的ParA蛋白同源。这引发了一个核心谜题：一个看似“细菌样”的染色体分离系统，如何与一个“真核样”的细胞分裂系统协同工作，以确保遗传物质在细胞分裂前被精确地一分为二？为了回答这个问题，来自美国俄亥俄州立大学和印第安纳大学的Rachel Y. Samson、Naomichi Takemata和Stephen D. Bell团队展开了深入研究，其成果发表在《Nature Communications》上。

为了揭示SegAB系统的功能，研究人员运用了多种前沿技术。他们利用“婴儿机器”（Baby Machine）和乙酸处理法对细胞进行同步化，以捕获处于不同细胞周期阶段的细胞。通过染色体构象捕获技术（Hi-C/3C-Seq），他们绘制了染色体在细胞周期中的动态三维结构图谱。此外，他们还构建了SegAB基因敲除的突变株，并利用流式细胞术、活细胞成像、RNA测序（RNA-Seq）、染色质免疫沉淀测序（ChIP-Seq）和酵母双杂交等技术，系统评估了突变株的表型、基因表达谱、蛋白质定位及相互作用。

Architectural changes at the putative Sulfolobus partitioning locus

研究人员首先利用Hi-C技术，分析了同步化细胞在细胞周期不同阶段的染色体构象。他们发现，硫化叶菌的染色体在整个细胞周期中都保持着区室化（Compartmentalization）的结构特征。然而，在SegAB基因座附近，染色体的构象发生了显著变化。在G1期细胞中，该区域呈现出一种相对孤立的结构；而当细胞进入S期时，该区域与周围染色体的接触显著增加，表明其被“吸收”进了一个更广泛的染色体结构域中。这种构象变化与SegAB基因的表达水平密切相关，其表达在G2/M期达到峰值，而在S期最低。这些数据表明，SegAB基因座在细胞周期中是一个构象可塑的区域，其动态变化可能与其功能相关。

Loss of the segAB genes impacts cell viability and induces DNA damage responses

为了探究SegAB系统的功能，研究人员构建了SegAB基因敲除的突变株。与野生型相比，突变株的生长速度显著减慢，细胞活力下降，约有一半的细胞无法正常分裂。流式细胞术分析显示，突变株中出现了一部分DNA含量低于1C（即少于一个完整染色体）的细胞，表明存在染色体分离错误或DNA降解。此外，突变株的细胞形态和核形态也发生了异常，出现了核质弥散、无核或核不对称的细胞。更引人注目的是，突变株的细胞倾向于聚集在一起，并且RNA测序分析显示，DNA损伤修复相关的基因（如Ups和Ced系统）被显著激活。这些结果表明，SegAB系统的缺失导致了染色体分离的保真度下降，进而引发了DNA损伤反应。

SegB binds to multiple sites on the chromosome

为了确定SegB蛋白在体内的作用位点，研究人员进行了ChIP-Seq分析。结果显示，SegB主要结合在SegAB基因座附近约25 kb的区域内，该区域包含了17个高丰度的结合峰。此外，在染色体的其他区域也检测到了较低丰度的SegB结合位点。通过序列分析，研究人员鉴定出了两个SegB的结合基序：segSX和segSR。重要的是，在DNA损伤修复相关基因的启动子区域并未发现SegB的结合位点，这表明SegB并不直接调控这些基因的表达，而是其缺失间接导致了DNA损伤。

Chromosome conformation in cells lacking the Seg system

为了探究SegAB系统是否参与染色体区室化的形成，研究人员比较了野生型和突变株的Hi-C图谱。结果显示，在SegAB缺失的细胞中，染色体的区室化结构依然存在，表明SegAB系统并非维持染色体区室化所必需的。然而，在SegAB基因座附近，突变株的染色体构象发生了显著改变。与野生型细胞相比，突变株中该区域与周围染色体的局部接触增加，而由其介导的长距离环状结构（Loop）则消失了。这些数据表明，SegAB系统通过其广泛的DNA结合能力，在SegAB基因座处建立了一个局部的、绝缘的结构，并介导了特定的长距离相互作用。

Interplay between the Seg system and the cell division machinery

最令人惊讶的发现来自于对细胞分裂蛋白CdvA的观察。在野生型细胞的非同步化培养物中，仅有不到1%的细胞能检测到CdvA的环状结构。然而，在SegAB缺失的突变株中，高达66%的细胞都出现了CdvA的环状结构，表明CdvA发生了“早熟”的聚合。为了探究其背后的机制，研究人员进行了蛋白质相互作用分析。酵母双杂交实验表明，SegA蛋白能够与CdvA直接相互作用。更重要的是，当在异源系统（大肠杆菌）中共同表达SegA和CdvA时，SegA能够显著增加CdvA在可溶组分中的比例，表明SegA能够抑制CdvA形成不溶性的高分子量聚合物。

该研究揭示了古菌Sulfolobus acidocaldarius中SegAB系统在协调染色体分离与细胞分裂中的双重功能。首先，SegAB系统通过调控染色体构象，确保染色体在细胞分裂前被精确分离。其次，SegA蛋白通过与细胞分裂蛋白CdvA的直接相互作用，抑制其过早聚合，从而将细胞分裂的启动与染色体分离的完成相偶联。这一机制与细菌中的Min系统调控FtsZ聚合的机制在功能上具有惊人的相似性，尽管它们所调控的细胞分裂机器在进化上完全不同。该研究不仅阐明了古菌染色体分离的分子基础，更重要的是，它揭示了一种连接细菌样分离系统与真核样分裂系统的普适性调控逻辑，为理解生命演化过程中细胞周期调控的起源提供了新的视角。