细菌基因组编码的ParM蛋白：染色体定位与功能多样性的结构生物学研究

【编辑推荐】本研究首次揭示了染色体编码的ParM系统(cParM)在细菌中的广泛存在，通过生物信息学分析和结构生物学手段，解析了来自脱硫杆菌(Desulfitobacterium hafniense)和肉毒梭菌(Clostridium botulinum)的两种cParM蛋白的聚合机制及调控特性，发现其具有不同于质粒ParM的独特性质，为理解细菌染色体主动分配机制提供了新视角。

　　

在细菌王国中，维持遗传物质的精确分配是生命延续的基本法则。传统认知将质粒分配系统ParCMR（ParM-ParR-parC）与染色体分配系统ParABS（ParA-ParB-parS）严格区分，前者依赖肌动蛋白样蛋白ParM的聚合"推动"质粒分离，后者通过Walker型ATP酶ParA的"拉动"实现染色体分配。然而，这种二分法正受到新发现的挑战——越来越多的基因组测序显示，本应专属质粒的ParM基因竟频繁出现在细菌染色体上，这些神秘的染色体编码ParM（cParM）究竟有何功能？它们是否暗示着第三种染色体分配机制的存在？

为解开这个谜题，来自日本大阪大学、新加坡国立大学等机构的研究团队在《Journal of Biological Chemistry》发表重要成果。研究人员通过大规模生物信息学筛查，在6个脱硫杆菌物种和多个肉毒梭菌菌株中鉴定出保守的cParM基因簇，并选取Dh-cParM1和Cb-cParM进行深入表征。结合冷冻电镜（分辨率达3.5-4.0 ?）、X射线晶体学（分辨率2.8 ?）和生物化学分析，首次揭示这些染色体编码的骨架蛋白具有独特的三维结构和动态特性。

关键技术方法包括：1）基于AlphaFold2和DELTA-BLAST的基因组挖掘技术；2）负染色电镜与冷冻电镜三维重构技术；3）停流光谱实时监测聚合动力学；4）磷酸盐释放检测系统；5）电泳迁移率变动分析（EMSA）验证DNA结合特性。

【结果】

假定的cParMR系统
通过序列分析发现cParM在多个细菌染色体上成簇存在，常与预测的cParR基因相邻。值得注意的是，携带cParM的脱硫杆菌属从未报道含有质粒，暗示这些系统可能参与染色体相关功能。

Dh-cParMR-1盒与脱硫杆菌中的序列保守性
Dh-cParM1在6个脱硫杆菌物种中高度保守（序列相似性84.6-98.4%），其保守度位列全基因组同源基因前20%，远高于平均水平。系统发育分析表明这种强选择压力可能源于其不可替代的细胞功能。

Dh-cParM1丝状体显示结构多态性
电镜观察发现Dh-cParM1可自发形成单股和紧密耦合的双股螺旋两种形态，无需分子拥挤剂诱导。冷冻电镜解析的单股螺旋呈现156.03°扭转/24.5 ?上升的独特参数，其原丝体间相互作用强于经典ParM-R1。

Dh-cParM1原体和原子丝状结构
4.0 ?结构显示Dh-cParM1具有典型的ParM闭合β桶状亚结构域，ATP水解后可能结合ADP。亚基间通过"球窝"式疏水相互作用纵向连接，形成更紧密的双原丝体螺旋。

Cb-cParCMR系统
在肉毒梭菌基因组中发现完整的cParCMR操纵子，包含cParM、cParR和具有回文重复的cparC序列。EMSA证实Cb-cParR特异性结合cparC，表明该系统具有功能完整性。

聚合分析和cParR-cParM相互作用
Cb-cParM突破性地能以ATP/GTP和ADP/GDP聚合，且水解后丝状体保持稳定。磷酸盐释放实验显示持续的子单元交换（类似踏车现象）。更惊人的是，Cb-cParR不抑制初始聚合，而是作为成熟丝状体的解聚因子发挥作用。

冷冻电镜成像
解析Cb-cParM在GDP结合状态（3.5 ?）和GTP结合状态（6.5 ?）的构象差异，发现磷酸盐释放引发原丝体间2.5 nm的相对位移，显著增加接触界面（GDP状态176个接触 vs GTP状态36个接触）。

晶体结构与结构域运动
通过设计防聚合突变体（R204D/K230D/N234D）获得apo状态晶体结构，与丝状体构象比较鉴定出两个刚性结构域（ID和OD）。GDP磷酸基团充当"分子铰链"连接两个结构域，而GTP状态则呈现更开放的核苷酸结合裂隙。

【结论与意义】
这项研究颠覆了"ParM仅参与质粒分配"的传统认知，证实功能性聚合ParM可被染色体编码。两种cParM各具特色：Dh-cParM1通过结构多态性可能参与染色体组织；Cb-cParM则展现独特的"磷酸盐释放诱导构象重排"机制，其与Cb-cParR的协同作用暗示可能存在"推-拉"双模式分配系统。这些发现为理解细菌染色体动态调控开辟了新途径，特别对缺乏ParABS系统的病原菌（如肉毒梭菌）的增殖控制具有重要启示。

从更广阔的视角看，cParM系统的多样性反映了原核细胞骨架的进化可塑性，其与真核细胞骨架的趋同进化现象（如Cb-cParR与cofilin的功能相似性）为研究细胞骨架起源提供了新线索。未来通过活细胞成像研究这些系统在染色体空间组织中的作用，将有助于揭示微生物细胞生物学更深层的奥秘。