光合细菌帮助塑造了地球。其中，蓝细菌产生了大气中的氧气，使复杂生命成为可能，数十年来一直吸引着科学家。如今，奥地利科学技术研究所（ISTA）的研究人员报告了一个令人惊讶的新发现：一个原本被认为用于分离DNA的系统，在蓝细菌中却发展成了塑造细胞形状的结构。这一结果发表在《Science》期刊上，揭示了蛋白质系统如何进化，以及这类生态上至关重要的细菌中多细胞性是如何出现的。

“蓝细菌本质上是有氧光合作用的先驱，”ISTA Loose研究组的博士后Benjamin Springstein说。“它们造就了约25亿年前的大氧化事件，当时氧气在大气中积累，使有氧生命成为可能。可以肯定地说，没有它们，我们今天谁也不会在这里。”

即使在今天，这些生物体仍然至关重要——它们对全球生物量生产有重大贡献，并在碳循环和氮循环中发挥关键作用。它们在地球上一些最极端的环境中繁衍生息——从温泉到北极，甚至城市建筑的屋顶和墙壁上。

其中一种名为鱼腥藻（Anabaena sp. PCC 7120，简称Anabaena）的多细胞蓝细菌，已经作为研究对象超过30年。在与ISTA的Schur研究组以及蒙得维的亚巴斯德研究所（乌拉圭）、基尔大学（德国）和苏黎世大学（瑞士）的合作中，Springstein及其同事现在证明，鱼腥藻（以及可能许多其他多细胞蓝细菌）经历了一次重大的进化转变，将一个古老的DNA分离系统转变为控制细胞形状的新型细胞骨架。

细菌DNA：简要介绍

像所有细菌一样，鱼腥藻通过细胞分裂繁殖，这需要精确复制和分配其遗传物质。遗传物质DNA被紧密包装成染色体，就像电线缠绕在线轴上。染色体通常存在多个拷贝，在细胞分裂过程中必须可靠地遗传，以便子细胞保持活力。细菌DNA以两种主要形式存在：携带生存关键基因的染色体，以及包含额外（通常非必需）基因的质粒。质粒尤其具有移动性，可以很容易地从一种细菌转移到另一种细菌，使细菌能够快速获得新性状并迅速进化。

一个DNA分离系统——直到它不再是

自2014年以来，Springstein一直对鱼腥藻着迷，探索它们的进化和分子奥秘。当COVID-19大流行使研究停滞、实验室关闭时，他在撰写综述的同时转向查阅相关文献，并发现了一些令人惊讶的、值得跟进的东西。

“我偶然观察到了一个现象，”他回忆道。他注意到鱼腥藻和其他一些特定的多细胞蓝细菌的染色体上编码有一个所谓的ParMR系统。该系统传统上与质粒分离相关，以前仅在质粒（细菌的移动基因储存位点）上发现。这一观察使他假设，该系统可能在细胞分裂过程中主动分离染色体（而不是质粒），以确保其DNA的正确维护。

Springstein随后以IST-Bridge研究员身份加入ISTA和Loose研究组来验证这一想法。然而，他的实验讲述了不同的故事。例如，其中一个组分ParR不能再结合DNA；相反，它与脂膜（特别是内膜）结合。鱼腥藻的ParM不是在细胞质中形成丝状束来分离染色体，而是在内膜下方形成丝状网络，组装成类似细胞皮层的蛋白聚合物阵列。换句话说，它没有像预期的那样产生类似纺锤体的细胞质结构，而是似乎通过膜相关的组织来发挥功能。

细胞失去形状

为了进一步解开这个谜团，研究人员使用纯化的组分在活细胞外重建了该系统。在这些体外重组实验中，他们观察到丝状物表现出动态不稳定性——它们在解聚过程中突然崩溃之前会生长，这是真核细胞中微管众所周知的行为。为了理解这种行为的结构基础，Loose研究组与ISTA教授Florian Schur及其博士生Manjunath Javoor的团队合作。利用冷冻电子显微镜（一种以近原子分辨率捕捉分子结构的技术），研究人员检查了这些丝状物的结构。他们的发现是：与其他细菌中质粒编码的ParMR系统（形成极性丝状物）不同，鱼腥藻的丝状物是双极性的，这意味着它们可以从两端生长和收缩。

当该系统从活细胞中移除时，其功能后果变得非常清楚。“缺乏该系统的细胞失去了正常的矩形细胞形状，变得又圆又肿，”Springstein解释说。在其他细菌的细胞形状维持基因突变中经常看到类似的缺陷，强烈表明该系统在控制细胞形态而不是DNA分离中发挥作用。根据其新发现的功能和在细胞中的独特位置，研究人员将该系统重新命名为“CorMR”。

走向新功能的四个步骤

多细胞蓝细菌通过细胞复杂性的逐渐增加从单细胞祖先进化而来。合作者、乌拉圭蒙得维的亚巴斯德研究所的Daniela Megrian进行的生物信息学分析揭示了CorMR系统是如何进化的——这种适应并非一蹴而就，而是通过一系列变化发生的。这种转变可能通过四个关键步骤展开：系统从质粒转移到染色体；其组分的大小和结构发生变化；新的膜结合能力出现；系统受到另一个蛋白质系统的控制。这些变化共同将一种古老的DNA分离机制转变为控制细胞形状的机制。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Benjamin L. Springstein et al, Repurposing of a DNA segregation machinery into a cytoskeletal system controlling cell shape, Science (2026). DOI: 10.1126/science.aea6343.