综述：细菌孢子形成过程中的区室化

这篇综述聚焦枯草芽孢杆菌(B. subtilis)孢子形成过程中的细胞区室化机制，系统阐述了不对称隔膜(asymmetric septum)作为组织中心协调基因调控、代谢和蛋白质合成的空间分配。文章整合了冷冻电子断层扫描(cryo-ET)和DNA-PAINT等前沿技术成果，揭示了DivIVA-SpoIIE-FtsZ轴调控隔膜定位、SpoIIIE维持隔膜孔稳定、SpoIIDMP介导肽聚糖(PG)重塑等分子机制，并创新性提出"喂养管通道"(feeding tube)实现母细胞与前孢子代谢分工的理论模型。

　　

引言

细菌细胞曾被视为被刚性细胞壁包裹的酶混合物，但20世纪90年代蛋白质定位研究的突破彻底改变了这一认知。以枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)为模型，其孢子形成过程展现出精妙的细胞区室化机制——通过不对称分裂产生大小悬殊的母细胞和前孢子 compartments，建立物理隔离的微环境执行差异化发育程序。这一过程涉及三个核心功能：空间协调（如极定位的FtsZ环）、物理隔离（不对称隔膜形成）和功能分区（代谢与翻译机器重分布）。

建立细胞地址——分裂体组织

不对称隔膜厚度仅为营养隔膜的四分之一，却富含分裂和孢子特异性蛋白。冷冻聚焦离子束电子断层扫描(cryo-FIB-ET)揭示其独特结构：FtsZ微丝仅定位于母细胞侧，而孢子特异性双功能蛋白SpoIIE在前孢子侧形成E环，通过分子拥挤效应维持隔膜不对称性。精确定位机制涉及RefZ蛋白与染色体臂特定基序结合，将分裂位点锁定在细胞长度的1/6处，而MinCD系统则阻止过度靠近极区的分裂。染色体通过SMC复合物和ParAB系统形成轴向丝状结构，oriC区域被DivIVA锚定在细胞两极，为后续70%染色体经SpoIIIE跨隔膜孔转运奠定基础。

建立物理边界——隔膜重塑驱动的遗传区室化

不对称隔膜作为转录调控枢纽，通过σ因子级联实现时空特异性基因表达：早期σ^F/σ^E分别在前孢子和母细胞激活，后期σ^G/σ^K则在吞噬后启动。SpoIIE的磷酸酶活性通过SpoIIAA-SpoIIAB级联特异性激活前孢子σ^F，而DivIVA将其锚定在前孢子膜确保区室特异性。最新研究发现SpoIIIE不仅转运DNA，还与肽聚糖合成酶PbpG、母细胞蛋白SpoIIIM协同稳定隔膜孔——缺失这些蛋白会导致染色体外流和转录混乱。吞噬过程中，SpoIIIAH-SpoIIQ形成跨膜"分子拉链"，而SpoIIDMP复合物通过局部降解肽聚糖产生指状膜突起，共同推进前孢子包裹。

创建特定微环境——翻译与代谢区室化

孢子形成颠覆了细菌转录翻译耦合的传统认知：核糖体在不对称分裂时被排除在分裂位点外，待隔膜形成后才依赖SpoIIDMP介导的肽聚糖重塑转运入前孢子。代谢组学揭示母细胞-前孢子形成"代谢分工联盟"：母细胞通过spoIIIA操纵子编码的喂养管通道向前孢子输送NTPs和氨基酸，而前孢子将糖酵解产物ADP返回母细胞再生ATP。这种代谢循环使前孢子专注于孢子衣壳合成，而母细胞承担能量和原料供应，最终通过自我裂解释放成熟孢子。

总结与展望

多模态成像与多组学整合正重塑对细菌区室化的认知。未来研究可探索机器学习预测隔膜蛋白网络，或将模型拓展至链霉菌等产外孢子菌种，以揭示微生物区室化的进化保守性。孢子形成研究的范式更暗示：原核细胞的区室化机制可能是真核细胞器进化的前奏。