絲狀藍(lán)細(xì)菌（藍(lán)藻）是地球上最早出現(xiàn)的多細(xì)胞生物之一。很多絲狀藍(lán)細(xì)菌，如魚(yú)腥藍(lán)細(xì)菌Anabaena/Nostoc PCC 7120 (Anabaena) 可以在培養(yǎng)基中缺乏化合態(tài)氮源的情況下，分化出可以利用氮?dú)庾鳛榈吹?、?zhí)行固氮作用的特殊細(xì)胞，稱(chēng)為異形胞。兩個(gè)異形胞之間一般間隔10個(gè)左右的營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞。營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞執(zhí)行光合作用并由此利用二氧化碳作為碳源，異形胞執(zhí)行固氮作用。兩類(lèi)細(xì)胞在碳氮源上互通有無(wú)，以多細(xì)胞行為共同維持了菌絲的生長(zhǎng)。一個(gè)多細(xì)胞的Anabaena菌絲具有顯著的有機(jī)整體的特征。異形胞失去分裂功能，菌絲生長(zhǎng)依賴(lài)于營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞的分裂。 

　　那么，細(xì)胞分裂和細(xì)胞（異形胞）分化，有什么內(nèi)在聯(lián)系嗎？中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所張承才研究員團(tuán)隊(duì)的早期工作已經(jīng)證明，異形胞分化依賴(lài)于細(xì)胞分裂過(guò)程，但遺傳學(xué)機(jī)制尚不清楚。最近，該團(tuán)隊(duì)在mBio 雜志 (Wei-Yue Xing, Jing Liu, Zi-Qian Wang, Ju-Yuan Zhang, Xiaoli Zeng, Yiling Yang and Cheng-Cai Zhang. 2021.HetF protein is a new divisome component in a filamentous and developmental cyanobacterium. mBio, 12:e0138221) 和Environmental Microbiology雜志 (Li Wang, Tian-Cai Niu, Ana Valladares, Gui-Ming Lin, Ju-Yuan Zhang, Antonia Herrero, Wenli Chen, Cheng-Cai Zhang. 2021. The developmental regulator PatD modulates assembly of the cell-division protein FtsZ in the cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120. Env. Microbiol. 23:4823-4837。同華中農(nóng)業(yè)大學(xué)及西班牙Sevilla大學(xué)合作) 發(fā)表的研究成果，對(duì)這一問(wèn)題的理解跨出了重要一步。 

　　FtsZ 是一種微管蛋白，可聚合形成細(xì)絲在細(xì)胞中間成環(huán)，啟動(dòng)細(xì)菌的細(xì)胞分裂并介導(dǎo)分裂板肽聚糖層伴隨細(xì)胞分裂的重構(gòu)。異形胞是絲狀藍(lán)藻的末端分化細(xì)胞，它們失去了細(xì)胞分裂能力且其中的ftsZ基因被下調(diào)。發(fā)表于mBio 雜志的研究成果顯示異形胞發(fā)育因子HetF在某些環(huán)境條件下直接參與營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞的分裂，另一項(xiàng)發(fā)表于Environmental Microbiology的研究成果則顯示異形胞發(fā)育因子PatD可通過(guò)影響分化細(xì)胞中FtsZ的活性來(lái)調(diào)控異形胞分化。這些研究揭示了細(xì)胞分裂和異形胞分化之間存在著聯(lián)動(dòng)機(jī)制，為異形胞分化研究開(kāi)辟了一個(gè)新的視角。 

　　發(fā)表于mBio雜志的新研究發(fā)現(xiàn)，異形胞發(fā)育促進(jìn)因子HetF不僅參與異形胞發(fā)育也在細(xì)胞分裂中發(fā)揮重要作用，但它對(duì)細(xì)胞分裂的影響是條件依賴(lài)型的。hetF是異形胞分化所必需的一個(gè)基因，其表達(dá)模式與細(xì)胞分裂基因ftsZ相同，即在營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞中穩(wěn)定表達(dá)，而在異形胞中下調(diào)表達(dá)。在需要hetF參與細(xì)胞分裂的培養(yǎng)條件下， hetF 突變體的細(xì)胞停止分裂，多個(gè)FtsZ 環(huán)可平行存在于不分裂的長(zhǎng)細(xì)胞中；同時(shí)，細(xì)胞分裂板的肽聚糖合成停滯 (Fig. 1)。HetF 是一種定位于細(xì)胞分裂板和細(xì)胞-細(xì)胞連接處的膜蛋白，通過(guò)與催化分裂板肽聚糖合成的FtsI 相互作用被招募到或穩(wěn)定在細(xì)胞分裂位點(diǎn)。該研究首次提出HetF是Anabaena細(xì)胞分裂體 (divisome)的一個(gè)組分，在某些培養(yǎng)條件下直接參與細(xì)胞分裂板肽聚糖的合成。 

Fig. 1 FtsZ環(huán)形成和追蹤肽聚糖合成的HADA標(biāo)記。 (A) 野生型 (WT) 和ΔhetF中的 FtsZ 環(huán)形成。白色箭頭表示不分裂長(zhǎng)細(xì)胞中的 FtsZ-CFP 環(huán)。(B) HADA 標(biāo)記顯示的肽聚糖合成。白色箭頭表示不分裂長(zhǎng)細(xì)胞中的 HADA 標(biāo)記。 ΔhetF::ftsZ-cfp 和ΔhetF的細(xì)胞分裂停滯表型是通過(guò)在正常光照強(qiáng)度(SL，30 μmol/(m²·s))下的 BG11 (NO₃^-) 中生長(zhǎng) 2天誘導(dǎo)出來(lái)的。LL: 低光照強(qiáng)度，7 μmol/(m²·s)。比例尺，10 μm。(doi: 10.1128/mBio.01382-21.) 

　　發(fā)表于Environmental Microbiology雜志的新研究顯示，在異形胞中上調(diào)表達(dá)的異形胞發(fā)育抑制因子patD的失活導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)細(xì)胞的細(xì)胞中間有更粗的FtsZ 環(huán)形成、異形胞頻率上升，而其超表達(dá)導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)細(xì)胞中FtsZ無(wú)法聚合成環(huán)而引起細(xì)胞分裂停滯的表型，且異形胞頻率降低。在體外沉降實(shí)驗(yàn)中，PatD與FtsZ形成了粗且直的FtsZ束，這不同于由FtsZ單獨(dú)形成的環(huán)形聚合物 (Fig. 2)。這些結(jié)果表明，在分化細(xì)胞中，PatD可能通過(guò)干擾FtsZ的組裝來(lái)影響異形胞分化。通過(guò)改變FtsZ的活性或相對(duì)量，可以模擬patD缺失或超表達(dá)的表型。由此，該研究提出Anabaena中的FtsZ 是一種雙功能蛋白，除了參與營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞分裂的傳統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)之外，也參入并調(diào)節(jié)異形胞分化。 

Fig. 2 PatD對(duì)FtsZ形成的聚合物形態(tài)的影響。通過(guò)TEM觀(guān)察由純化的FtsZ (5.6 μM) 與（右圖）或不與 (左圖) 純化的 PatD (9 μM) 孵育形成的聚合物。 兩張圖片的放大倍數(shù)相同。(doi: 10.1111/1462-2920.15682.) 

　　相關(guān)研究得到了中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目 (QYZDJ-SSW-SMC016)、基金委重大研究計(jì)劃項(xiàng)目 (92051106)、基金委青年項(xiàng)目 (31800033) 和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略重點(diǎn)研究項(xiàng)目 (XDPB18) 的資助。 

　　相關(guān)鏈接如下：https://journals.asm.org/doi/10.1128/mBio.01382-21；  

　　              https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1462-2920.15682