FtsZ原絲纖維產(chǎn)生收縮力的軸轉(zhuǎn)機(jī)制.pdf

1、細(xì)胞骨架蛋白FtsZ（細(xì)胞分裂溫度敏感突變體Z）能夠自組裝成為細(xì)菌細(xì)胞分裂過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵細(xì)胞器—Z環(huán)。在細(xì)胞分裂過(guò)程中，Z環(huán)定位在細(xì)胞中部的未來(lái)細(xì)胞分裂位點(diǎn)，隨著分裂隔膜形成，Z環(huán)通過(guò)水解GTP（三磷酸腺苷）將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成為向內(nèi)拉伸的機(jī)械力，縮小自身直徑，拉動(dòng)隔膜內(nèi)陷，直至最終收縮分裂細(xì)胞。盡管在此之前，已經(jīng)有很多不同物種的FtsZ單體以及原絲纖維的結(jié)構(gòu)得到解析，但是有關(guān)FtsZ蛋白“水解-彎曲”機(jī)制的分子機(jī)理我們能知道的卻很少。

2、r>　　該論文研究的目的就是想要回答細(xì)菌細(xì)胞骨架蛋白FtsZ研究領(lǐng)域中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:Z環(huán)是怎樣將GTP水解的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為向內(nèi)收縮的張力？圍繞這個(gè)問(wèn)題，該論文創(chuàng)新性的以所得到的FtsZ原絲纖維的晶體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一系列的FtsZ突變體，結(jié)合體內(nèi)互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)、GTP酶活測(cè)定實(shí)驗(yàn)、體外聚合后電子顯微鏡負(fù)染觀察實(shí)驗(yàn)，同時(shí)輔以分子動(dòng)力學(xué)模擬，提出并驗(yàn)證了一個(gè)Z環(huán)將GTP水解的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為向內(nèi)收縮的張力的分子機(jī)制。
　　我們發(fā)現(xiàn)FtsZ單體在

3、結(jié)合GTP和結(jié)合GDP（二磷酸腺苷）時(shí)的主要構(gòu)象變化發(fā)生在T3環(huán)狀結(jié)構(gòu)域(T3 loop)，GTP的γ-磷酸基團(tuán)能夠和T3環(huán)的主鏈胺基形成兩個(gè)強(qiáng)氫鍵相互作用，從而鎖定T3環(huán)處于一種緊密結(jié)合構(gòu)象（Tension構(gòu)象，T構(gòu)象）。當(dāng)FtsZ結(jié)合GDP，失去了這兩個(gè)強(qiáng)氫鍵相互作用后，T3環(huán)除了可以處于緊密結(jié)合構(gòu)象之外，還可以處于一種松弛構(gòu)象（Relax構(gòu)象，R構(gòu)象）。此外，在FtsZ原絲纖維的垂直構(gòu)象中有兩個(gè)非常關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)特征，首先，T3環(huán)處于

4、緊密結(jié)合構(gòu)象并和上面亞基的T7環(huán)相互作用，使得T7環(huán)上兩個(gè)保守的天冬氨酸靠近GTPγ-磷酸基團(tuán)附近的一個(gè)水分子，在催化GTP水解的反應(yīng)中，這兩個(gè)天冬氨酸的酸性殘基極化這個(gè)水分子，使其能夠進(jìn)攻GTP的γ-磷酸基團(tuán)。其次，在FtsZ原絲纖維的垂直構(gòu)象中，相鄰兩個(gè)FtsZ亞基緊密結(jié)合，嚴(yán)絲合縫，夾在兩亞基之間的GDP是處于一種封閉狀態(tài)，除非兩個(gè)亞基打開，是無(wú)法自由出來(lái)。因此我們推測(cè)，當(dāng)GTP發(fā)生水解，GTPγ-磷酸基團(tuán)和β-磷酸基團(tuán)之間的共價(jià)

5、鍵斷裂，由于二者都攜帶負(fù)電荷，它們之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)巨大的排斥力，當(dāng)二者被封閉在兩個(gè)FtsZ亞基之間時(shí)，這個(gè)巨大的排斥力驅(qū)使GTPγ-磷酸基團(tuán)推動(dòng)T3環(huán)發(fā)生一個(gè)從緊密結(jié)合構(gòu)象到松弛構(gòu)象的構(gòu)象變化，從而使兩個(gè)FtsZ亞基之間的結(jié)合從T3環(huán)和T7環(huán)接觸處打開，相鄰亞基圍繞支點(diǎn)(MtbL269)發(fā)生軸轉(zhuǎn)。GTP水解的化學(xué)能就這樣轉(zhuǎn)變成為相鄰FtsZ亞基之間的構(gòu)象變化的機(jī)械能。
　　上述GTP水解而導(dǎo)致的FtsZ原絲纖維構(gòu)象變化如何轉(zhuǎn)化為細(xì)菌

6、細(xì)胞分裂向內(nèi)收縮的張力呢？FtsZ的C端肽鏈沒(méi)有一個(gè)穩(wěn)定的構(gòu)象，這段肽鏈會(huì)和FtsA相結(jié)合，而FtsA通過(guò)它的C端一個(gè)疏水的α-螺旋嵌在細(xì)胞膜上，Z環(huán)就是這樣被固定在細(xì)胞膜上位于隔膜最內(nèi)端。上述GTP水解而導(dǎo)致FtsZ原絲纖維的構(gòu)象變化則通過(guò)FtsA施加一個(gè)改變細(xì)胞膜曲度的一個(gè)向內(nèi)收縮的張力。
　　該項(xiàng)研究不僅幫助人們從結(jié)構(gòu)生物學(xué)的角度更好地理解細(xì)菌細(xì)胞骨架的自組裝與調(diào)控機(jī)制，而且還能為以細(xì)菌細(xì)胞分裂蛋白為靶標(biāo)的新型抗生素藥物設(shè)計(jì)