FtsZ原絲纖維產生收縮力的軸轉機制.pdf

1、細胞骨架蛋白FtsZ（細胞分裂溫度敏感突變體Z）能夠自組裝成為細菌細胞分裂過程中的一個關鍵細胞器—Z環(huán)。在細胞分裂過程中，Z環(huán)定位在細胞中部的未來細胞分裂位點，隨著分裂隔膜形成，Z環(huán)通過水解GTP（三磷酸腺苷）將化學能轉化成為向內拉伸的機械力，縮小自身直徑，拉動隔膜內陷，直至最終收縮分裂細胞。盡管在此之前，已經有很多不同物種的FtsZ單體以及原絲纖維的結構得到解析，但是有關FtsZ蛋白“水解-彎曲”機制的分子機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菌細胞骨架蛋白FtsZ研究領域中的一個關鍵問題:Z環(huán)是怎樣將GTP水解的化學能轉換為向內收縮的張力？圍繞這個問題，該論文創(chuàng)新性的以所得到的FtsZ原絲纖維的晶體結構為基礎，設計一系列的FtsZ突變體，結合體內互補實驗、GTP酶活測定實驗、體外聚合后電子顯微鏡負染觀察實驗，同時輔以分子動力學模擬，提出并驗證了一個Z環(huán)將GTP水解的化學能轉換為向內收縮的張力的分子機制。
　　我們發(fā)現(xiàn)FtsZ單體在

3、結合GTP和結合GDP（二磷酸腺苷）時的主要構象變化發(fā)生在T3環(huán)狀結構域(T3 loop)，GTP的γ-磷酸基團能夠和T3環(huán)的主鏈胺基形成兩個強氫鍵相互作用，從而鎖定T3環(huán)處于一種緊密結合構象（Tension構象，T構象）。當FtsZ結合GDP，失去了這兩個強氫鍵相互作用后，T3環(huán)除了可以處于緊密結合構象之外，還可以處于一種松弛構象（Relax構象，R構象）。此外，在FtsZ原絲纖維的垂直構象中有兩個非常關鍵的結構特征，首先，T3環(huán)處于

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

5、鍵斷裂，由于二者都攜帶負電荷，它們之間會產生一個巨大的排斥力，當二者被封閉在兩個FtsZ亞基之間時，這個巨大的排斥力驅使GTPγ-磷酸基團推動T3環(huán)發(fā)生一個從緊密結合構象到松弛構象的構象變化，從而使兩個FtsZ亞基之間的結合從T3環(huán)和T7環(huán)接觸處打開，相鄰亞基圍繞支點(MtbL269)發(fā)生軸轉。GTP水解的化學能就這樣轉變成為相鄰FtsZ亞基之間的構象變化的機械能。
　　上述GTP水解而導致的FtsZ原絲纖維構象變化如何轉化為細菌

6、細胞分裂向內收縮的張力呢？FtsZ的C端肽鏈沒有一個穩(wěn)定的構象，這段肽鏈會和FtsA相結合，而FtsA通過它的C端一個疏水的α-螺旋嵌在細胞膜上，Z環(huán)就是這樣被固定在細胞膜上位于隔膜最內端。上述GTP水解而導致FtsZ原絲纖維的構象變化則通過FtsA施加一個改變細胞膜曲度的一個向內收縮的張力。
　　該項研究不僅幫助人們從結構生物學的角度更好地理解細菌細胞骨架的自組裝與調控機制，而且還能為以細菌細胞分裂蛋白為靶標的新型抗生素藥物設計