Z環收縮的能量轉化及其精密調控機制研究

《Z環收縮的能量轉化及其精密調控機制研究》是依託浙江大學，由葉升擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：Z環收縮的能量轉化及其精密調控機制研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：葉升
• 項目類別：重點項目

項目摘要

Z環是由細胞骨架蛋白FtsZ自組裝形成的細菌細胞分裂中的一個關鍵細胞器。Z環定位在細胞中部，依次結合其他分裂蛋白，讓一系列細胞分裂事件有序地發生。隨隔膜形成，Z環將GTP水解的化學能轉化為向內的機械力，縮小自身直徑，拉動隔膜內陷，直至最終分裂細胞。我們的前期工作回答了FtsZ原絲纖維是如何將GTP水解的化學能轉化為相鄰亞基之間的構象變化，並進一步轉化為一個改變細胞膜曲度的張力的。但仍有一些亟待解決的重要科學問題，如FtsZ原絲纖維如何進一步組裝成Z環的？GTP水解而導致的FtsZ原絲纖維構象變化如何進一步動態地重組Z環，使之逐漸收縮？以及Z環收縮又是如何與細胞基本生理緊密結合，在細胞周期中被精密地調控？本項目圍繞這些問題，採用多學科交叉手段，有機結合體內體外實驗，從細胞生物學、結構生物學和生物物理化學多方面全面系統的研究Z環的結構、收縮和調控的分子機制。為靶向Z環的藥物設計提供直接的信息。

結題摘要

我們針對細菌細胞骨架蛋白FtsZ的兩個最重要的科學問題：FtsZ原絲纖維是如何進一步自組裝成細菌細胞分裂的關鍵細胞器——Z環；以及Z環如何不斷收縮的分子機制。以肺結核分支桿菌FtsZ原絲纖維為研究對象，首先，我們解析了一個新的FtsZ原絲纖維的X-射線晶體結構，並通過分析FtsZ蛋白的晶體結構，揭示了FtsZ原絲纖維間可通過兩個不同的橫向相互作用面，以反向平行的形式進一步相互作用並組裝形成高級結構。在此基礎上，我們根據結構設計了一系列突變體，通過體內光交聯實驗、功能互補實驗技術手段證明了這兩個相互作用面在生理條件下存在，在細胞正常分裂過程中發揮重要作用。在此基礎上，我們設計了螢光顯微鏡的實驗，通過共同表達野生型和橫向相互作用面致死突變型，並調整致死突變型的表達量同時在致死突變型上加上綠色螢光蛋白，我們發現：當致死突變型的表達量低時，Z-環的螢光非常強，然而當提高致死突變型的表達量時，Z-環的螢光反而越來越暗，甚至消失，我們通過統計學的分析，完美的解釋了這個現象，證明每對FtsZ亞基間的橫向相互作用是以范德華力為主的弱相互作用。多聚的FtsZ原絲纖維上具有若干橫向相互作用位點，其累加效應使得原絲纖維可以通過彼此間的相互作用形成Z環。另外，這樣的相互作用使得Z環可以同時具備高度動態的特性，從而行使驅動細胞細胞壁均勻合成、細胞膜不斷內陷等功能。本研究對進一步理解細菌細胞分裂機制具有重要意義，為以細胞分裂過程為靶點的新型抗生素的設計打下了基礎。綜上所述，我們圓滿完成了本自然科學基金的研究目標。