NAR | 山东大学申玉龙团队在极端嗜热古菌研究方面取得新进展

细胞周期调控对所有生命形式都至关重要。

2023年1月30日，山东大学申玉龙及刘军峰共同通讯在Nucleic Acids Research 上在线发表题为“A novel RHH family transcription factor aCcr1 and its viral homologs dictate cell cycle progression in archaea ”的研究论文，该研究报道了一个保守且必需的细胞周期特异性转录因子(命名为aCcr1)及其病毒同源物在硫化叶菌目中控制细胞分裂的重要作用。该研究发现accr1的转录水平在古细菌特异性细胞分裂蛋白CdvA表达后的活跃细胞分裂期( D期)达到峰值。

ACcr1过表达导致包括cdvA在内的17个基因下调( > 4倍)。在17个高度抑制的基因中，有13个基因的保守基序aCcr1 - box位于TATA结合和翻译起始位点之间，对aCcr1的结合至关重要。aCcr1 - box存在于整个硫化叶菌目的cdvA基因的启动子和5′UTR中，表明aCcr1介导的cdvA抑制是一种进化保守的机制，古细菌细胞通过这种机制决定胞质分裂的进程，其病毒则利用这种机制来操纵宿主细胞周期。

细胞周期调控对所有生物体都至关重要。在细菌细胞周期中，DNA复制、染色体分离和细胞分裂是紧密协调的，这保证了每一次分裂事件都会发生一轮复制，并且分裂不会危害基因组的完整性。相比之下，在真核生物中，细胞周期通过三组因素紧密协调：( i )细胞周期调控蛋白的集合，包括细胞周期蛋白依赖性激酶( Cdk ) -细胞周期蛋白复合物和相关激酶，( ii )各种代谢酶和相关代谢物，( iii )活性氧( ROS )和细胞氧化还原状态。细胞周期蛋白依赖性激酶是真核细胞周期有序进展的引擎。细胞周期蛋白结合底物并将Cdks靶向到特定的亚细胞位置。cyclin - Cdk复合物的形成导致Cdk活化。细胞周期蛋白的振荡是由细胞周期蛋白基因表达的波动和泛素介导的蛋白酶体途径降解引起的。

作为生命的第三个领域，古菌中细胞周期调控的机制仍不清楚。古菌中存在两种主要的细胞分裂机制。广古菌门与细菌类似，依赖于以FtsZ为基础的类细菌系统，而TACK门的硫化叶菌目具有真核生物的细胞周期特征，依赖于基于ESCRT - III / Vps4的细胞分裂系统(也称为Cdv系统)。此外，最近报道蛋白酶体对细胞分裂蛋白ESCRT - III ( Cdv B )的降解驱动了S . acidocaldarius的细胞分裂进程。因此，阐明古菌尤其是硫化叶菌目中的细胞周期调控，可以为真核生物细胞周期调控机制的起源和进化提供新的见解。

aCcr1同源物广泛分布于Sulfolobales和Desulfurococcales以及Sulfolobales的质粒和病毒中（图源自Nucleic Acids Research ）

古菌细胞周期很可能在转录水平上受到调控。古菌具有3个转录起始因子( TBP、TFB、TFEa / b)、2个延伸因子( Spt4 / 5 , Elf1)和1个终止因子aCPSF1 (或FttA )，均与真核转录因子同源，并具有RNA PolⅡ- like聚合酶。尽管古菌核心转录机器的组成类似真核生物，但也编码具有带状-螺旋-螺旋( RHH )和螺旋-转角-螺旋基序的细菌样转录因子。值得注意的是，与细菌相比，古菌编码的转录因子似乎更少，而且调控也可能依赖于更复杂的翻译后修饰途经。在嗜盐菌广古菌门中，RHH家族转录因子CdrS在细胞分裂调控中起核心作用。CdrS是一个全局性的转录调节因子，控制ftsZ和与其他代谢和调节过程相关基因的表达，可能使细胞能够适当协调生长、分裂和代谢活动。在另一个嗜盐菌盐制品盐杆菌中，编码CdrS的基因与细胞分裂基因ftsZ2共转录，编码另一个RHH转录因子CdrL的基因与cdrS - ftsZ启动子结合。

在古菌中，细胞周期的转录调控尚未阐明。该研究鉴定了一个小的RHH家族转录因子，并将其命名为aCcr1，该转录因子参与调控S . Islandicus REY15A的细胞分裂，对细胞活性至关重要。研究人员发现aCcr1同源物广泛存在于硫化叶菌目及其病毒中。细胞和病毒aCcr1同源物的过表达导致细胞变大和生长迟缓。转录组学分析发现，在过表达aCcr1的细胞中，许多基因，尤其是cdvA的表达量显著下调。与此一致，纯化的细胞和病毒aCcr1蛋白与cdvA的启动子和5′UTR区域结合，特别是在一个保守的9-nt基序( aCcr1-box )。总之，该研究结果表明aCcr1在细胞分裂调控中发挥关键作用，并暗示其也参与病毒对细胞周期的操控。

参考信息：

https://doi.org/10.1093/nar/gkad006

转自：“iNature”微信公众号

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