The proteasome controls ESCRT-III-mediated cell division in an archaeon

doi:10.1126/science.aaz2532

.2020年8月7日；369（6504）：eaaz2532。

doi:10.1126/science.aaz2532。

蛋白酶体控制古细菌中ESCRT-III介导的细胞分裂

附属公司

¹英国伦敦大学学院分子细胞生物学MRC实验室。
²瑞典斯德哥尔摩大学温纳格伦研究所分子生物科学系。
^三英国剑桥大学生物化学系。
⁴伦敦大学学院生命系统物理研究所，英国伦敦。
⁵伦敦大学学院物理与天文学系，英国伦敦。
⁶蛋白质组学平台，弗朗西斯·克里克研究所，英国伦敦。
⁷英国兰卡斯特大学生物医学与生命科学部健康与医学学院。
⁸英国兰卡斯特大学生物医学与生命科学部健康与医学学院。b.baum@ucl.ac.uk n.robinson2@lancaster.ac.uk。
⁹英国伦敦大学学院分子细胞生物学MRC实验室。b.baum@ucl.ac.uk n.robinson2@lancaster.ac.uk。

^#贡献均等。

PMID： 32764038
预防性维修识别码：项目管理委员会7116001
内政部： 10.1126/science.aaz2532

蛋白酶体控制古细菌中ESCRT-III介导的细胞分裂

加布里埃尔·塔拉桑·里萨等。科学类. 2020.

.2020年8月7日；369（6504）：eaaz2532。

doi:10.1126/science.aaz2532。

附属公司

¹英国伦敦大学学院分子细胞生物学MRC实验室。
²瑞典斯德哥尔摩大学温纳格伦研究所分子生物科学系。
^三英国剑桥大学生物化学系。
⁴伦敦大学学院生命系统物理研究所，英国伦敦。
⁵英国伦敦大学学院物理和天文系。
⁶蛋白质组学平台，弗朗西斯·克里克研究所，英国伦敦。
⁷英国兰卡斯特大学生物医学与生命科学部健康与医学学院。
⁸英国兰卡斯特大学生物医学与生命科学部健康与医学学院。b.baum@ucl.ac.uk n.robinson2@lancaster.ac.uk。
⁹英国伦敦大学学院分子细胞生物学MRC实验室。b.baum@ucl.ac.uk n.robinson2@lancaster.ac.uk。

^#贡献均等。

PMID： 32764038
预防性维修识别码：项目管理委员会7116001
内政部： 10.1126/science.aaz2532

摘要

嗜酸热硫化叶菌是最接近真核生物的实验可驯服的远古亲缘生物，尽管缺乏明显的细胞周期蛋白依赖激酶和细胞周期蛋白同源物，但具有有序的类真核细胞周期，具有不同的DNA复制和分裂阶段。在这里，在探索细胞分裂的机制嗜酸链球菌我们确定了古细菌蛋白酶体在调节从一个细胞周期结束到下一个细胞循环开始的转变中的作用。此外，我们确定古生ESCRT-III同源物CdvB是蛋白酶体的关键靶点，并表明其降解通过限制CdvB1:CdvB2 ESCRT-IIII分裂环来触发分裂。这些发现为ESCRT-III介导的膜重构提供了一个最小的机制，并指出蛋白酶体在真核细胞和古细胞周期控制中的保守作用。

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利益冲突声明

竞争利益：提交人声明没有相互竞争的利益。

数字

ESCRT-III介导的古细菌细胞分裂模型*嗜酸链球菌*
该模型显示了在*嗜酸链球菌*（标记为1至6），以及相应的特定阶段图像。DNA为蓝色，CdvB为紫色，Cdv-B1和CdvB2为绿色。断开的箭头表示单元格通过G的延长期₁、S和G₂注意，ESCRT-III聚合物拆卸可能需要Vps4（未显示）。

**图1。*嗜酸芽孢杆菌*蛋白酶体被抑制后，细胞分裂被阻止。**
(A类)的侧视图*嗜酸链球菌*28子单元Saci_0613/Saci_0662ΔN 20S蛋白酶体组件。Saci_0613α亚基以蓝色和紫色表示；Saci_0662ΔNβ亚基以红色、粉红色和米色表示。(B类)可逆抑制剂硼替佐米与细胞内活性β亚基（Saci_ΔN）糜色位点的模型结合*嗜酸链球菌*20S蛋白酶体使用CovDock软件。催化苏氨酸（Thr¹)显示为与硼替佐米分子的硼酸基团共价结合的红色棒。Asp公司¹⁷，赖氨酸³³，序列号¹²⁹，天冬氨酸¹⁶⁶和Thr¹⁶⁹参与催化的是黄色的棒子。含有保守残基Ala的两个环（蓝色）²⁰，序列号²¹和Gly⁴⁷至Val⁴⁹调节抑制剂的结合。(C类)通过Sachi_0613/Sachi_0662ΔN/Sachi_0909ΔN20S蛋白酶体对GFP对照或Urm1（x3）-GFP底物的定量降解测定。误差条表示平均值±SDN个= 3. 使用Welch’s分析数据t吨测试；**第页= 0.0034. (D类)流式细胞术直方图显示在释放后80分钟（分裂前）用硼替佐米或二甲基亚砜处理的异步和同步群体中细胞中的1N和2N DNA信号。N个=3，以及n个= 10⁵显示了具有代表性的直方图。T、发布后的时间。(E类)二甲基亚砜或硼替佐米处理同步化细胞40分钟和醋酸释放后80分钟的广域显微镜图像。固定细胞用Hoechst染色以显示DNA，伴刀豆球蛋白A染色以显示S层。红色箭头表示细胞核分离的细胞。显示了具有代表性的图像。比例尺，1μm。(F类)用二甲基亚砜或硼替佐米治疗后，同步化群体中含有分离核仁的细胞百分比的量化。误差条表示平均值±SDN个=3和n个= 100. 使用配对比率分析数据t吨测试**第页= 0.0069. (**G公司**)用二甲基亚砜或硼替佐米处理同步化STK细胞40分钟，从醋酸中释放100分钟后的广域显微镜图像。细胞用Hoechst染色以显示DNA和伴刀豆球蛋白A以显示S层，用“点击”化学法显示EdU。红色箭头表示EdU并入新合成DNA的细胞。比例尺，1μm。(**H（H）**)二甲基亚砜或硼替佐米治疗后合并EdU的同步细胞百分比的量化。误差条表示平均值±SDN个=3和n个= 10⁶.

**图2。CdvB被*嗜酸链球菌*细胞分裂过程中的蛋白酶体。**
(A类)质谱散点图将硼替佐米处理40分钟的预测同步化细胞中蛋白质组变化的两个独立重复与硼替佐米洗除后（分裂后）15分钟的群体进行关联。前五名点击为绿色（除CdvB外）。完整数据见表S6。插图显示了硼替佐米处理和洗脱样品的两个代表性直方图。(B类)同步化细胞的CdvB和Alba（负荷控制）蛋白印迹，从乙酸释放后80分钟，未经处理或用DMSO、MG132或硼替佐米处理40分钟。(C类)（左）流式细胞术直方图比较了PAN-WkB-HA显性阴性过度表达菌株在非诱导和诱导条件下的CdvB信号和（右）显示PAN-Wk B-HA和CdvB蛋白水平变化的Western blot。(D类和E类)异步培养中细胞的DNA与CdvB（D）和CdvB1（E）蛋白信号的流式细胞术散点图。红色方框突出显示了（D）和（E）中分别具有高CdvB和CdvB1信号的“有丝分裂”细胞。每个蓝色斑点代表单个细胞，密度梯度从蓝色变为红色；N个=3，以及n个= 10⁶(F类)异步培养的CdvB与CdvB1信号的流式细胞术散点图显示蛋白质的交替积累和丢失。N个=3，以及n个= 10⁶(**G公司**)流式细胞术直方图显示（F）框中细胞的DNA分布，显示只有在CdvB完全降解后才发生从2N到1N的转变。(**H（H）**和我)硼替佐米处理的异步培养的DNA与CdvB和CdvB1信号的流式细胞仪散点图。显示了代表性地块；N个=3，以及n个= 10⁶(J型)用硼替佐米处理的异步培养物中CdvB与CdvB1水平的流式细胞术散点图显示，表达CdvB-CdvB1-的细胞聚集，CdvB-水平选择性增加。显示了具有代表性的绘图；N个=3，以及n个= 10⁶(**K（K）**)有丝分裂人群中位数CdvB、CdvB1和CdvB2信号的量化。使用配对双尾比率分析数据t吨使用和不使用硼替佐米（bz）检测CdvB；*第页= 0.0245. 误差条表示平均值±SDN个= 3. ns，不显著；a.u.，任意单位。

**图3。CdvB的靶向降解触发CdvB1的收缩。**
(A类)指数增长的异步细胞培养中观察到的环形结构的代表性SRRF超分辨率图像。用Hoechst（蓝色）、CdvB（紫色）和CdvB1（绿色）对细胞进行DNA染色；合成下面的图像表示CdvB（左）和CdvB1（右）通道。百分比指的是环生育人口总数。总细胞周期的分钟数根据指数（二进制裂变）年龄分布进行调整。比例尺，0.5μm。(B类)非同步培养中CdvB和CdvB1环直径的量化。 $\bar{X（X）}$ ，平均环直径。(C类)量化CdvB和CdvB1在存在和不存在CdvB-环的情况下的环直径，显示CdvB的去除如何导致CdvB1-的收缩。(D类)在蛋白酶体抑制剂硼替佐米存在下CdvB和CdvB1的环直径的定量。（B）到（D）中的数据都来自六个以上的视角和三个生物复制。红色条表示平均值。

**图4。古生菌ESCRT-III介导细胞分裂的物理模型。**
(A类)根据线性iSIM显微镜数据集中的CdvB1环直径绘制的细胞质CdvB1-信号的量化，以黑色显示95%置信区间的线性回归。插图显示了CdvB1在收缩不同阶段的典型线性iSIM显微图像和G细胞₁除法之后。每个单元格的轮廓用白色虚线高亮显示。比例尺，1μm。(B类)ESCRT-III灯丝的分子动力学模拟是由三个串珠状亚基组成的，这些亚基通过谐波弹簧连接形成螺旋。只有绿色的珠子被模型细胞膜吸引。螺旋线从低曲率状态发生几何变化1/*R（右）* ₀对应于具有CdvB的CdvB1，对应于具有高曲率1的状态/*R（右）* _目标，对应于不带CdvB的CdvB1。这种变化发生在CdvB的蛋白酶体降解之后。(C类)作为时间函数的模拟快照显示，细胞分裂不是仅通过收缩ESCRT-III纤维实现的；请参见电影1。(D类)模拟快照显示，细胞分裂需要拆卸ESCRT-III纤维；请参阅电影2。

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1. Ausiannikava D，Allers T.古生菌DNA复制的多样性。基因。2017;8:56. doi:10.3390/genes8020056。pmid:28146124。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学
1. Lang S，Huang L.solfataricus硫杆菌GINS复合体通过微染色体维持解旋酶刺激DNA结合和过程DNA解旋。细菌杂志。2015;197:3409–3420. doi:10.1128/JB.00496-15。pmid:26283767。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学
1. Caspi Y，Dekker C.划分古代方式：古代Cdv细胞成像机器。前端微生物。2018;9:174. doi:10.3389/fmicb.2018.00174。pmid:29551994。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学
1. Groll M，Brandstetter H，Bartunik H，Bourenkow G，Huber R。古细菌蛋白酶体成熟和调节的研究。分子生物学杂志。2003;327:75–83. doi:10.1016/S0022-2836（03）00080-9。pmid:12614609。-内政部-公共医学

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[4] Ausiannikava D，Allers T.古生菌DNA复制的多样性。基因。2017;8:56. doi:10.3390/genes8020056。pmid:28146124。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学

[5] Lang S，Huang L.solfataricus硫杆菌GINS复合体通过微染色体维持解旋酶刺激DNA结合和过程DNA解旋。细菌杂志。2015;197:3409–3420. doi:10.1128/JB.00496-15。pmid:26283767。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学

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[9] Groll M，Brandstetter H，Bartunik H，Bourenkow G，Huber R。古细菌蛋白酶体成熟和调节的研究。分子生物学杂志。2003;327:75–83. doi:10.1016/S0022-2836（03）00080-9。pmid:12614609。-内政部-公共医学

[10] Groll M，Brandstetter H，Bartunik H，Bourenkow G，Huber R。古细菌蛋白酶体成熟和调节的研究。分子生物学杂志。2003;327:75–83. doi:10.1016/S0022-2836（03）00080-9。pmid:12614609。-内政部-公共医学

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