近日，中国科学院水生生物研究所张承才研究员团队以属于同一家族的转录因子NtcA和DevH的功能作为突破口，在蓝藻细胞形态和生存适应分子机制研究上取得系列进展。相关研究成果分别以“Carbon metabolism shapes FtsZ levels and cell division in a cyanobacterium（蓝藻碳代谢调控FtsZ水平及细胞分裂）”为题在线发表于Communications Biology（https://www.nature.com/articles/s42003-025-08849-4）、以“Functional dissection of the CRP-family transcription factor DevH and its interplay with NtcA in a cyanobacterium（蓝藻中CRP家族转录因子DevH的功能解析及其与NtcA的相互作用）”为题，在线发表于Cell Reports (https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(25)01206-9)。

进展一(Carbon metabolism shapes FtsZ levels and cell division in a cyanobacterium)：

该进展首次在蓝藻中构建了代谢流重编程调控细胞分裂的模型，为理解原核生物细胞分裂与碳代谢之间的耦合机制提供了新视角。

细菌在多变环境中生存，必须高效协调碳代谢与能量供应，以驱动生长、DNA复制和细胞分裂等核心生命活动。然而，这一复杂调控网络的具体机制仍不清晰。在细菌分裂过程中，FtsZ蛋白作为关键的细胞分裂“分子开关”，通过形成Z-环并引导分裂体组装，驱动细胞隔膜收缩。因此，揭示调控FtsZ动态的信号机制，成为理解碳代谢协调细胞分裂的核心。蓝藻作为唯一能进行放氧光合作用的原核生物，其碳代谢途径具有特殊性：依赖卡尔文-本森循环固定碳源，且其三羧酸（TCA）循环因缺乏α-酮戊二酸脱氢酶而呈“开放”状态，代谢流分布与异养细菌差异显著。尽管有研究提示营养条件可能影响蓝藻分裂，但具体调控路径仍不明确。那么，蓝藻细胞是如何感应细胞的代谢状态，从而达到分裂和代谢的协调尚未可知。

针对这一空白，张承才团队在丝状蓝藻Anabaena sp. PCC 7120的TCA途径中引入由巴豆酰-CoA羧化酶/还原酶（Ccr）构成的人工CO₂固定模块（PCEM）。实验发现，工程株gPCEM的分裂行为随光强变化：弱光下分裂受阻，高光下则显著加快。进一步研究表明，高光强驱动碳代谢流增强，促使代谢物α-酮戊二酸（2-OG）含量上升，后者作为信号分子，增强了全局转录因子NtcA与ftsZ启动子的结合，从而上调FtsZ表达，进而影响细胞分裂进程。

该研究首次在蓝藻中勾勒出“碳代谢—酮戊二酸信号—NtcA（C/N平衡响应转录因子）—FtsZ—细胞分裂”的调控通路，系统阐释了碳代谢协调调控细胞分裂的机制，为理解光合生物代谢与分裂协同机制提供了新范式，也为合成生物学改造提供了理论依据。

本研究由水生所博士研究生冉文硕完成，曾晓丽青年研究员和张承才研究员为本文的共同通讯作者。本研究获中国科学院基础研究领域优秀青年团队项目（YSBR-015）、中国科学院战略先导B研究项目（XDB0480000）、国家自然科学基金重点项目（32330003）及中国科学院青年创新促进会（2022342）等项目的支持。

图1：Anabaena 中 NtcA 调节 FtsZ 水平和细胞分裂的模型。A: 在标准光条件下，WT的 TCA循环以正常效率运行，碳代谢产物无明显变化。NtcA 在基础水平上调节 FtsZ 的表达，细胞分裂正常进行，细胞形态无明显变化。B：与标准光条件相比，在高光条件下，TCA循环的效率略有提高，这种代谢转变提高了 NtcA 蛋白水平，进而增加了 FtsZ 的表达。FtsZ 水平的升高促进了细胞分裂速度的加快，从而导致细胞长度的缩短。C：在高光条件条件下，gPCEM 菌株的TCA循环表现出高效率，导致富马酸、苹果酸、柠檬酸和 2-氧代戊二酸（绿星表示）水平显著升高。NtcA 和 2-OG 的积累通过转录因子 NtcA 增强了 ftsZ 基因的转录，从而在提高 FtsZ 水平方面发挥了重要作用。因此，FtsZ 水平的升高促进了细胞的不对称分裂，导致细胞形态不规则。

进展二(Functional dissection of the CRP-family transcription factor DevH and its interplay with NtcA in a cyanobacterium)：

该进展是继团队2023年在PNAS上发表的DevH参与由二级信使c-di-GMP介导的细胞形态调控（Zeng et al.,PNAS 120 :e2221874120）后对其功能研究的又一项重要成果。

蓝藻/蓝细菌是古老且唯一能进行产氧光合作用的原核生物，一些丝状蓝藻在环境中无化合态氮源时能分化发育出异形胞来固定并同化空气中的氮气。在适应复杂多变的生存环境的过程中，调控基因表达的转录因子起着至关重要的作用。DevH和NtcA均属于CRP家族（cAMP receptor protein，环腺苷酸受体蛋白）转录因子。研究最多也较为清楚的是NtcA——作为全局性转录因子，它在异形胞分化，碳氮代谢平衡，光合作用和应激响应等多个生理过程中都发挥重要作用。尽管NtcA具有多效性和全局性调控能力，其对蓝藻的生存却不是必需的——因为ntcA突变体仍可利用铵盐作为氮源进行生长。有报道称devH可能是必需基因，其对异形胞的后期发育有影响。但值得注意的是，以往构建的devH突变体并不严谨，devH没有被充分下调，所以只有部分表型（仅异形胞后期发育受影响）被观察到。DevH的真实功能尚不明确。

在前期研究中，该团队通过构建由严谨型Co²⁺/Zn²⁺诱导型启动子P_coaT调控的devH条件突变体，证实了DevH在鱼腥藻中的必需性，并发现其与环二鸟苷酸（c-di-GMP）受体蛋白CdgR相互结合，且该互作可能通过调控细胞生长与分裂相关基因，进而影响细胞形态（Zeng et al.,PNAS 120 :e2221874120）。在该基础上，团队深入挖掘，继续突破，借助遗传学、分子生物学、生物化学、转录组学及生物信息学等技术和方法，对DevH做了较为全面的解析。本研究进一步证明了devH基因在多种条件下均为蓝藻生存所必需，且其对异形胞分化的影响从早期就开始了，并非如文献所述只影响后期的成熟。通过明确直接被DevH调控的基因集合，本研究解析了DevH功能必需性的实现机制——通过作为全局性转录因子，其直接调控了如光合作用，碳氮代谢，细胞周期，异形胞分化等诸多关键生理活动（图1）。DevH识别并结合的DNA上的特异性保守位点也在本研究中被鉴定，其与NtcA的DNA结合位点十分相似（图1）。devH和ntcA的相互调控以及功能互补和加强，从而协调了一系列重要的细胞生理代谢活动。

由此可见，DevH和NtcA这两个CRP家族转录因子在功能上有极大重叠，但一个是必需的，另一个只在特定条件下必需，二者必有特异之处，相较于NtcA，DevH的必需性又是如何涌现的呢？团队继续从二者的自调控及交叉调控模式、细胞内蛋白水平、结构差异，以及系统发育进化关系等多方面入手，最终回答了这个问题（图1）。本研究结果表明，功能特异且存在重叠的同家族转录因子之间的协同作用，可能是蓝藻在动态变化的环境中维持细胞生长与存活的重要生理机制。同时，本研究也为探讨进化过程中的功能涌现提供了一个范例。

图2.DevH功能必需性的实现及涌现的分子机制研究示意图。DevH和NtcA均是CRP家族的全局性转录因子，二者有功能重叠性，并有相互激活作用，而在进化过程中，与NtcA相比，现今鱼腥藻DevH出现了不同的自调控方式，并呈现明显更高的蛋白水平，在蛋白结构上也发生了极具意义的变化（如多出一段富含正电荷的可帮助结合DNA靶标的E-loop，以及小分子α-酮戊二酸（2-OG）结合口袋的缺失等），这些特征加强了DevH的功能，使之成为细胞必需的转录因子。

水生所特别研究助理、博士后徐晓梅为该论文第一作者，曾晓丽青年研究员和张承才研究员为共同通讯作者，该研究得到了国家自然科学基金青年科学基金项目（32300039），国家自然科学基金重点项目（32330003），中国科学院青年创新促进会项目（2022342），中国博士后科学基金项目（E21Z060102）和中国科学院战略性先导科技专项（XDB0480000）的资助。