金黄色葡萄球菌细胞周期中形态发生的调控机制研究

编辑推荐：本研究针对细菌分裂过程中关键调控机制不明的科学问题，通过构建金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)条件致死突变株，揭示了FtsL/DivIB/DivIC三聚体通过协调肽聚糖(PG)合成酶PBP1/PBP2的定位与活性，建立分级调控网络，为理解细菌分裂的时空调控提供了新范式。论文发表于《SCIENCE ADVANCES》。

在微生物世界中，细菌如何精确调控自身分裂过程始终是生命科学的重大谜题。作为典型的革兰氏阳性球状菌，金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)的细胞分裂涉及复杂的肽聚糖(Peptidoglycan, PG)合成重编程过程，需要将合成活动从外周细胞壁精准转向分裂隔膜(septum)。这一过程由分裂体(divisome)蛋白机器严格控制，但其中关键调控蛋白FtsL的功能机制及其与DivIB、DivIC的协同关系长期未明。更令人困惑的是，在隔膜发育的不同检查点(checkpoint)中，PGPBP1/PBP2的时空调控逻辑及其与分裂体组分的互作网络仍存在大量知识空白。这些基础认知的缺失不仅阻碍了对细菌形态发生基本原理的理解，也限制了针对细胞分裂过程开发新型抗菌策略的进展。

为此，英国纽卡斯尔大学的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表了突破性研究成果。通过构建系列条件致死突变株并结合多尺度成像技术，系统解析了FtsL/DivIB/DivIC三聚体在隔膜发育中的分级调控机制。研究发现FtsL作为早期检查点"守门人"，通过控制DivIC和PBP2的定位来启动隔膜板(septal plate)形成；而DivIB则作为晚期检查点调控PBP1活性以确保隔膜闭合。该研究首次建立了金黄色葡萄球菌细胞分裂的时空调控模型，为理解细菌形态发生提供了全新框架。

研究团队运用了以下关键技术：1) 条件性基因敲除系统(P_spac诱导系统)构建系列突变株；2) 荧光标记示踪技术(GFP融合蛋白)分析蛋白定位；3) 脉冲追踪标记法(HADA/ADA-DA)动态监测PG合成；4) 原子力显微镜(AFM)解析PG超微结构；5) 透射电镜(TEM)观察细胞形态。通过多维度技术联用，实现了从分子机制到超微结构的全面解析。

研究结果部分，"FtsL是生存、细胞形态和隔膜发育所必需的"小节揭示：构建ΔftsL突变株证实其严格必需性，FtsL缺失导致细胞停滞于piecrust阶段并形成异常增大的"菱形细胞"。通过脉冲追踪实验证明，FtsL缺失细胞无法完成从piecrust向septal plate的转变，而DivIB缺失细胞仍能形成隔膜板但无法闭合。AFM显示FtsL缺失导致piecrust结构紊乱且开放，暗示其参与维持早期隔膜结构的完整性。

"FtsL对DivIC和PBP2的 mid-cell 定位至关重要"小节阐明：荧光定位实验显示FtsL缺失使约95%的DivIC-GFP保留在细胞外周，而DivIB-GFP定位不受影响。Bocillin标记证实PBP2在FtsL缺失时出现外周聚集，表明FtsL通过调控DivIC定位间接控制PBP2的隔膜招募。值得注意的是，PBP1在80%的FtsL缺失细胞中仍能定位至分裂位点，提示其招募存在FtsL非依赖性途径。

"FtsL的C端结构域对其功能至关重要"小节通过截断实验证明：缺失C端23个氨基酸(ΔK111-N133)即导致活，而N端40个氨基酸缺失(ΔA2-T41)仍保持功能。该发现将FtsL的关键功能域精确定位于胞外区，为后续机制研究提供了结构基础。

"FtsL和DivIB通过调控PBP3和PBP4维持细胞形态"小节发现：FtsL或DivIB缺失导致的细胞体积增大可被pbp3/pbp4突变显著缓解，表明二者通过抑制外周PG合成酶活性来维持正常形态。特别值得注意的是，FtsW缺失虽阻断隔膜闭合但不会引起PBP3/PBP4依赖性体积增加，证实该调控具有特异性。

"MurJ向 mid-cell 的定位部分依赖FtsL"小节修正了前人认知：MurJ在50%的FtsL缺失细胞中仍能定位至分裂位点，且DivIB/DivIC缺失不影响其定位。相反，MurJ缺失不影响FtsL/DivIB/DivIC的隔膜招募，表明脂质II翻转酶并非隔膜形成的绝对检查点。

在讨论与结论部分，研究提出了全新的分级调控模型tsL作为早期检查点，通过DivIC介导PBP2招募启动隔膜板形成；DivIB作为晚期检查点，通过激活PBP1-FtsW复合物促进隔膜闭合。二者协同抑制PBP3/PBP4的外周活性，实现合成资源的精准重分配。该研究首次揭示了FtsL/DivIB/DivIC体的层级调控网络，阐明了从piecrust形成到隔膜闭合的分子路线图。这些发现不仅为理解细菌形态发生提供了范式转移，也为针对分裂体开发时空特异性抗菌药物奠定了理论基础。特别值得注意的是，研究揭示的调控机制在革兰氏阳性菌中可能具有广泛保守性，为后续比较生物学研究提供了重要切入点。