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揭示蛋白酶体控制古生菌细胞分裂机制
点击次数:779 更新时间:2020-09-03

真核生物很可能是由古生菌宿主和α-变形杆菌之间的共生伙伴关系产生的,后两者分别产生了细胞体和线粒体。正因为如此,一些控制真核细胞分裂周期中关键事件的蛋白都起源于古生菌。这其中包括ESCRT-III蛋白,它在许多真核生物中催化细胞分裂的一步,在古生菌嗜酸热硫化叶菌(Sulfolobus acidocaldarius)中也是如此。

然而,到目前为止,还没有发现任何一种古生菌有诸如周期蛋白依赖性激酶和周期蛋白之类的细胞周期调节因子的同源物,这些调节因子在所有真核生物中都能使得细胞周期事件有序进行。因此,古生菌细胞周期中的关键事件(包括细胞分裂)如何受到调控仍不清楚。

20S蛋白酶体是一个例外,它在古生菌和真核生物之间是保守的,它通过降解周期蛋白来调节真核生物的细胞周期。为了探究20S蛋白酶体在嗜酸热硫化叶菌中的功能,来自英国伦敦大学学院、剑桥大学、弗朗西斯-克里克研究所、兰卡斯特大学和瑞典斯德哥尔摩大学的研究人员在一项新的研究中,通过晶体学方法解析出它的三维结构,并且在体外在它受到抑制和没有受到抑制时,对它的活性进行了生化分析。
 


他们利用流式细胞仪和超分辨显微镜在体内检测了蛋白酶体抑制对细胞分裂和细胞周期进程的影响。继而用质谱分析,他们鉴定出在细胞分裂过程中被蛋白酶体降解的蛋白。他们使用分子动力学模拟来模拟这一过程的机制。

在这项研究中,这些研究人员解析出嗜酸热硫化叶菌的20S蛋白酶体在分辨率为3.7埃下的三维结构,并利用这种结构来模拟它对真核生物抑制剂(bortezomib)的敏感性。当将这种抑制剂添加到同步培养物中时,他们发现它能让细胞停滞在分裂中期,一个稳定的ESCRT-III分裂环定位在两个分离的复制前类核(prereplicative nucleoid)之间的细胞中心。然后利用蛋白质组学确定了一种古生菌ESCRT-III同源物---CdvB---作为这种蛋白质酶体的关键靶标,它必须被降解才能使得细胞分裂进行。

这些研究人员利用流式细胞仪和超分辨率显微镜,研究了CdvB和另外两种古生菌ESCRT-III同源物CdvB1和CdvB2的定位模式,揭示了导致细胞分裂的事件序列。首先,一个CdvB环被组装起来。然后,这个CdvB环作为模板让收缩性ESCRT-III同源物CdvB1和CdvB2组装在一起,从而形成一个复合的分裂环。接着,细胞分裂由蛋白酶体介导的CdvB降解触发,这使得CdvB1:CdvB2共聚物收缩,从而牵拉着膜一起收缩。在收缩过程中,CdvB1:CdvB2共聚物被解体,使膜颈空出以促使脱落,产生两个具有扩散开来的CdvB1和CdvB2的子细胞。

这项研究揭示了20S蛋白酶体在驱动复合ESCRT-III共聚物的结构变化中的作用,使得基于ESCRT-III的分裂环能够逐步组装、解体和收缩。虽然目前还不清楚蛋白酶体抑制如何阻止嗜酸热硫化叶菌细胞重置细胞周期以启动下一个S期,但是这些数据更加有力地说明了真核细胞周期调控起源于古生菌。

 
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