细胞分裂是任何生物体的细胞周期中一个关键的生物学过程,需要一套专门的蛋白质和复杂的细胞信号传导过程来确保母细胞忠实地分裂成两个子细胞。真核生物在细胞分裂的最后阶段利用内膜分选转运复合体ESCRT(endosomal sorting complex required for transport)来行使膜切割的过程,从而实现两个子细胞的分离。在几乎所有的细菌中,细胞分裂的过程是由微管样蛋白FtsZ驱动的,FtsZ引导细胞壁合成机器构建细胞壁和使细胞膜向内凹陷,直到细胞一分为二。古菌虽然属于原核生物,却同时拥有ESCRT和FtsZ的细胞分裂机制,这展现了古菌的特殊性。近年来,越来越多的证据表明真核生物很可能起源于古菌,尤其是阿斯加德古菌,这表明研究古菌可以进一步加深我们对真核生物细胞祖先的理解。然而,许多古菌生物学过程在很大程度上仍未被探索。硫化叶菌最显著的一个特征便是具有和真核细胞类似的细胞周期,即G1、S、G2和M期。在真核细胞中,细胞周期调控主要是由cyclin/cdk复合物来介导,然而在古菌中仅仅存在真核样类recurrent respiratory tract infections似的蛋白激酶,而且这些激酶是否真的参与细胞周期调控,依然是未知的。蛋白酶体在蛋白水平上调控某些关键的周期性蛋白,从而影响细胞周期进程,这种在真核细胞中发现的现象已经在古菌中得到证实,这也为真核细胞起源于古菌提供了进一步证据。在本研究中,我们首先对细胞分裂的过程做了更深入的探究,研究了细胞分裂过程中ESCRT-Ⅲ及其同源物的功能。通过基于内源CRISPR(Clustered regularly interspaPD-0332991化学结构ced short palindromic repeats)基因编辑技术,我们对冰岛硫化叶菌中ESCRT-Ⅲ以及同源物ESCRT-Ⅲ-1、2、3进行了遗传分析,发现ESCRT-Ⅲ-1,ESCRT-Ⅲ-3是非必需的,并且能够同时敲除。基于细胞周期同步化技术,我们发现ESCRT-Ⅲ以及同源物ESCRT-Ⅲ-1、ESCRT-Ⅲ-2在蛋白水平上都呈现周期性表达,而且ESCRT-Ⅲ-1和ESCRT-Ⅲ-2的表达量最高点时间要晚于ESCRT-Ⅲ。通过对野生型冰岛硫化叶菌REY15A和Vps4显性突变体过表达菌株Sis/pSeSD-Vps4-T148A的免疫荧光定位,确定了 ESCRT-Ⅲ可以在细胞分裂过程中形成直径大小不同的环,这意味着ESCRT-Ⅲ可以牵引着细胞膜进行收缩,而且在ESCRT-Ⅲ-1缺失,ESCRT-Ⅲ-2敲低的菌株中,细胞的收缩依然正常进行,只是在最后的阶段,膜无法正常剪切,从而形成串珠状细胞。这表明在冰岛硫化叶菌细胞分裂过程中,ESCRT-Ⅲ形成的是可以收缩的分裂环,而ESCRT-Ⅲ-1和ESCRT-Ⅲ-2在细胞分裂最后的膜剪切阶段起作用。在对硫化叶菌细胞周期调控的研究过程中,我们发现和鉴定了一个保守的、重要的细胞周期特异性转录因子及其病毒同源物,命名为aCcr1(archaeal Cell cycle regulator 1),参与硫化叶菌的细胞分裂的调控。我们发现,在细胞分裂活跃期(M期),accr1的转录水平在CdvA(一种古细菌特异性细胞分CB-839核磁裂蛋白)的表达之后达到峰值。过表达该58-aa长、RHH(ribbon-helix-helix)家族细胞来源的转录因子aCcr1以及大型纺锤形病毒Acidianus two-tailedvirus(ATV)和Sulfolobus monocaudavirus 3(SMV3)编码的同源蛋白的细胞显示出明显的生长迟缓和细胞分裂缺陷,表现为具有多条染色体的大细胞。转录组分析发现aCcr1过表达导致17个基因的下调(>4倍),包括cdvA。在17个高度抑制的基因中,有13个基因的TATA结合盒和翻译起始位点之间有一个保守的基序AGTAATAC,命名为aCcr1-box,对aCcr1的结合至关重要。aCcr1-box存在于整个硫化叶菌目的cdvA基因的启动子和5’UTR(5′-untranslated region)中,这表明aCcr1介导的cdvA抑制是一种进化上的保守机制,硫化叶菌通过这种机制决定细胞分裂的进程,而它们的病毒则利用这种机制来操纵宿主的细胞周期。病毒和宿主互作研究一直是古菌研究方面的热点,大多数古菌病毒都没有自己的复制机器,只能通过借助宿主的复制机器来增殖,所以操控宿主的细胞周期对病毒来说尤为关键。通过研究大型纺锤状病毒STSV2和冰岛硫化叶菌的互作,我们发现STSV2的侵染会导致硫化叶菌细胞明显变大,形成直径达到正常细胞20倍大小的大细胞。在这个过程中,细胞分裂受阻,细胞分裂相关的基因严重下调,并且细胞分裂呈现出不对称的形式。总而言之,病毒侵染宿主之后,将宿主变成一个巨大的病毒制造工厂,来进行自身的增殖。我们的研究对真核起源学说和古菌病毒宿主互作机制提供了重要的见解。