ParB-CTP循环作为分子开关激活细菌DNA分离中的相分离过程

《Nucleic Acids Research》：The ParB-CTP cycle activates phase separation in bacterial DNA segregation

本期推荐一篇发表于《Nucleic Acids Research》的研究。为解决细菌染色体分离中ParB蛋白如何快速形成特异性液-液分离凝聚物的机制问题，研究人员开展了ParB-CTP循环调控相分离的主题研究。结果表明，CTP结合通过激活ParB-ParB相互作用增强，触发从气相到液-气共存的相变，且该循环功能缺失变异体均无法形成液滴。这为理解细胞内生物分子凝聚物的空间控制提供了新框架。

　　

在细菌细胞的神秘世界里，存在着一种精巧的DNA分配系统，确保遗传物质在细胞分裂时被准确分离到子细胞中。这就是ParABS系统，它由ParA ATP酶、ParB蛋白和特异的parS序列组成。其中，ParB蛋白扮演着核心角色，它能识别parS位点并招募数百个ParB蛋白形成巨大的分区复合物。近年来，科学家们发现这些复合物展现出液体般的特性，如球形形态、融合能力及内部蛋白的缓慢扩散，提示其可能通过液-液相分离(LLPS)机制形成。

然而，长久以来有两个关键谜题悬而未决。一方面，新近提出的"夹紧-滑动"(Clamping and Sliding, CS)模型描述了ParB与CTP结合后发生的系列变化：结合parS、CTP结合、构象变化成夹状结构、从parS释放、沿DNA滑动及最终卸载。但这一模型仅能解释少量ParB分子(<10个)被招募到DNA上，与实验中观察到的每个复合物约含250个ParB二聚体的现象相去甚远。另一方面，虽然固定相互作用能的晶格气体(Lattice Gas, LG)模型能描述ParB相分离，但无法解释为何某些ParB变异体无法形成液滴，且形成速度远慢于细胞周期，生物学上不现实。

那么，ParB是如何在正确的时间和地点快速组装成特异性液滴的？CTP在这一过程中究竟扮演什么角色？为了解开这些谜团，来自蒙彼利埃大学和图卢兹大学的研究团队在《Nucleic Acids Research》上发表了他们的最新发现。

研究人员采用了一种综合性方法，结合理论建模、数值模拟和实验验证。关键实验技术包括：蒙特卡洛(Monte Carlo, MC)模拟用于研究ParB液滴形成动力学；对质粒F的ParABS系统(ParABS_F)进行工程改造，构建CTP结合和水解 motif 的ParB_F变异体(ParB_F-N153A和ParB_F-R156A)；荧光显微镜观察分区复合物组装；染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)分析ParB在DNA上的分布；以及质粒稳定性测定。

LG耦合CTP激活ParB

研究团队提出了一个创新性模型，将相分离与CS机制相结合。他们假设ParB-CTP循环充当分子开关：当ParB与CTP结合并转变为夹状构象时，其ParB-ParB相互作用能从J_V(气相)增强至J_LV(液-气共存相)，从而触发相变。

分区复合物形成需要LV相中的激活

通过蒙特卡洛模拟，团队发现只有在液-气共存(LV)相的稳定区域(非亚稳区域)进行激活，ParB液滴才能在生物相关时间尺度(~45分钟，细胞周期的一部分)内形成。在气相或亚稳LV相中，即使有parS作为成核点，液滴形成也极其缓慢，与细胞周期不兼容。

功能性ParB-CTP循环对液滴形成至关重要

实验结果表明，破坏ParB-CTP循环的变异体均无法形成正常的液滴。ParB_F-N153A变异体(可能影响CTP结合)仅能结合parS，但无法转变为夹状形式或在parS周围招募更多ParB，表现为弥漫荧光，无液滴形成。ParB_F-R156A变异体(可能影响CTP水解)则表现出中间表型：它能结合parS、形成夹状结构并沿DNA滑动(其ChIP-seq谱符合CS模型的指数衰减特征，特征长度约4625 bp)，但招募能力大幅下降(~30个ParB分子，而野生型约120个)，且液滴形成缺陷。这表明CTP依赖的夹状形式转化是必要的，但不足以引发相分离；ParB还必须切换到激活状态以增强ParB-ParB相互作用。

F示意图。(B)ParB_F-mVenus的荧光成像。(C)ChIP-seq分析的ParB分布。'>

F-R156A的ChIP-seq谱对应CS模型。(B)ParB_F-N153A变异体机制。(C)ParB_F-R156A变异体机制。'>

结论与意义

本研究成功弥合了CS模型与ParB液滴液体特性之间的鸿沟，提出并验证了CTP作为分子开关驱动ParB从气相向液-气共存相转变的新机制。这种通过将相分离与ParB-CTP构象变化耦合实现的激活，确保了ParB液滴特异且高效地在parS位点形成，避免了基因组其他部位的非特异性聚集。这是首个被识别的CTP调控的相分离开关机制，不仅深化了对细菌DNA分离的理解，也为研究细胞内生物分子凝聚物的形成和调控提供了新范式。未来研究可进一步探索ParB-ParB相互作用的分子细节，以及CTP如何调控其他细胞过程中的相变。