古菌表面层蛋白自组装机制及其在细胞分裂中调控膜平整化的作用

这篇研究揭示了古菌Sulfolobus acidocaldarius表面层（S-layer）蛋白SlaA通过自组装形成二维晶格结构，动态填补生长缺口并优先定位至分裂桥（division bridge），其机械特性可加速ESCRT-III依赖的细胞分裂。该工作阐明了S-layer如何协调机械保护与细胞形态可塑性，为理解原核生物膜重塑与真核细胞器起源提供了新视角。

　　

古菌表面层的自组装机制与细胞分裂调控

Significance
古菌和细菌通过表面层蛋白（S-layer）构成的二维晶格替代细胞壁，形成物理化学屏障。本研究揭示Sulfolobus acidocaldarius的S-layer通过SlaA单体自组装填补晶格缺口，其与膜锚定蛋白SlaB及类thermopsin蛋白酶Saci1846的协同作用维持了晶格完整性。令人意外的是，这一刚性结构非但不阻碍分裂，反而通过平整化分裂沟加速ESCRT-III介导的细胞质分裂，在机械胁迫下保障分裂稳健性。

Abstract
S-layer作为古菌普遍存在的表面盔甲，由高度糖基化的SlaA蛋白形成p3对称晶格，通过SlaB锚定于膜上。研究发现SlaA通过能量非依赖的自组装动态覆盖细胞表面，其偏好性定位至低曲率区域。在细胞分裂时，S-layer平整化分裂桥两侧膜结构，显著提升分裂速度（对照组0.206 μm/min vs ΔslaA突变体0.051 μm/min），并在高渗胁迫下将分裂失败率从12.5%降至4%。

S-layer突变体的构建与表征
通过基因敲除获得ΔslaA、ΔslaB及双突变体ΔslaAB。ConA荧光标记显示S-layer贡献了主要表面糖基化（MW001荧光强度1911.4 vs ΔslaAB 1260.5）。冷冻电镜证实ΔslaA完全缺失S-layer，而ΔslaB突变体保留37.2 nm间距的晶格碎片，暗示冗余锚定系统。质谱鉴定出类thermopsin蛋白Saci1846（与SlaB的Ig样结构域RMSD 3.13-3.65?），其双敲除导致S-layer完全脱落。

S-layer的动态组装特性
脉冲-追踪实验显示SlaA随机插入晶格缺口，无特定生长位点偏好。在ΔslaA背景中诱导SlaA-HA表达时，蛋白形成"孤岛"并逐步扩展（8小时覆盖率达54.3%）。外源标记SlaA可被ΔslaA细胞特异性捕获（95%定位于分裂桥），且优先结合低曲率区域（与CdvB1环共定位）。冷冻电镜断层扫描显示内源S-layer在ΔslaB突变体中71.4%定位于分裂桥，维持跨桥连续性。

S-layer加速分裂的机械机制
尽管Δsla突变体ESCRT-III环组装正常，但分裂模式从"切片式"转变为"收缩式"：

1. 膜曲率分析显示突变体分裂桥邻近区域曲率显著增高（MW001 0.326 μm^-1
   vs ΔslaA 0.591 μm^-1
   ）
2. 分裂速率下降4倍，高渗条件下分裂失败率升高3.5倍
3. 外源SlaA在分裂桥形成平坦晶格，而中央高曲率区域（>60nm曲率半径）出现组装空缺

Discussion
该研究揭示了原核生物中罕见的"被动装甲驱动主动变形"机制：S-layer晶格储存的弹性势能在分裂时释放，协同ESCRT-III产生的膜张力（类似真核细胞clathrin介导的内吞）。与Haloferax等古菌不同，Sulfolobus的S-layer通过全局重组而非局部插入参与分裂，其偏好性结合ESCRT-III支撑的平坦膜区，可能通过降低弯曲刚度促进Vps4依赖的膜剪切。这种表面晶格与细胞骨架的协同模式，为理解真核细胞分裂机器的进化提供了新线索。

Materials and Methods
实验采用高温（75°C）培养Sulfolobus acidocaldarius MW001及其衍生株，通过：

1. 冷冻电镜/断层扫描（cryo-EM/ET）解析S-layer三维结构
2. 阿拉伯糖诱导表达系统（0.2% L-arabinose）研究SlaA-HA动态组装
3. 外源S-layer标记（Alexa Fluor 488-NHS）结合活细胞成像（Sulfoscope系统）
4. 曲率分析采用Fiji的Kappa插件，统计显著性通过Welch's t检验（*P≤0.05）验证