FtsZ原丝纤维产生收缩力的轴转机制

摘要

细胞骨架蛋白FtsZ（细胞分裂温度敏感突变体Z）能够自组装成为细菌细胞分裂过程中的一个关键细胞器—Z环。在细胞分裂过程中，Z环定位在细胞中部的未来细胞分裂位点，随着分裂隔膜形成，Z环通过水解GTP（三磷酸腺苷）将化学能转化成为向内拉伸的机械力，缩小自身直径，拉动隔膜内陷，直至最终收缩分裂细胞。尽管在此之前，已经有很多不同物种的FtsZ单体以及原丝纤维的结构得到解析，但是有关FtsZ蛋白“水解-弯曲”机制的分子机理我们能知道的却很少。
　　该论文研究的目的就是想要回答细菌细胞骨架蛋白FtsZ研究领域中的一个关键问题:Z环是怎样将GTP水解的化学能转换为向内收缩的张力？围绕这个问题，该论文创新性的以所得到的FtsZ原丝纤维的晶体结构为基础，设计一系列的FtsZ突变体，结合体内互补实验、GTP酶活测定实验、体外聚合后电子显微镜负染观察实验，同时辅以分子动力学模拟，提出并验证了一个Z环将GTP水解的化学能转换为向内收缩的张力的分子机制。
　　我们发现FtsZ单体在结合GTP和结合GDP（二磷酸腺苷）时的主要构象变化发生在T3环状结构域(T3 loop)，GTP的γ-磷酸基团能够和T3环的主链胺基形成两个强氢键相互作用，从而锁定T3环处于一种紧密结合构象（Tension构象，T构象）。当FtsZ结合GDP，失去了这两个强氢键相互作用后，T3环除了可以处于紧密结合构象之外，还可以处于一种松弛构象（Relax构象，R构象）。此外，在FtsZ原丝纤维的垂直构象中有两个非常关键的结构特征，首先，T3环处于紧密结合构象并和上面亚基的T7环相互作用，使得T7环上两个保守的天冬氨酸靠近GTPγ-磷酸基团附近的一个水分子，在催化GTP水解的反应中，这两个天冬氨酸的酸性残基极化这个水分子，使其能够进攻GTP的γ-磷酸基团。其次，在FtsZ原丝纤维的垂直构象中，相邻两个FtsZ亚基紧密结合，严丝合缝，夹在两亚基之间的GDP是处于一种封闭状态，除非两个亚基打开，是无法自由出来。因此我们推测，当GTP发生水解，GTPγ-磷酸基团和β-磷酸基团之间的共价键断裂，由于二者都携带负电荷，它们之间会产生一个巨大的排斥力，当二者被封闭在两个FtsZ亚基之间时，这个巨大的排斥力驱使GTPγ-磷酸基团推动T3环发生一个从紧密结合构象到松弛构象的构象变化，从而使两个FtsZ亚基之间的结合从T3环和T7环接触处打开，相邻亚基围绕支点(MtbL269)发生轴转。GTP水解的化学能就这样转变成为相邻FtsZ亚基之间的构象变化的机械能。
　　上述GTP水解而导致的FtsZ原丝纤维构象变化如何转化为细菌细胞分裂向内收缩的张力呢？FtsZ的C端肽链没有一个稳定的构象，这段肽链会和FtsA相结合，而FtsA通过它的C端一个疏水的α-螺旋嵌在细胞膜上，Z环就是这样被固定在细胞膜上位于隔膜最内端。上述GTP水解而导致FtsZ原丝纤维的构象变化则通过FtsA施加一个改变细胞膜曲度的一个向内收缩的张力。
　　该项研究不仅帮助人们从结构生物学的角度更好地理解细菌细胞骨架的自组装与调控机制，而且还能为以细菌细胞分裂蛋白为靶标的新型抗生素药物设计提供直接明了的结构信息。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 引言

1．1 FtsZ蛋白的结构与功能

1．1．1 真核细胞微管蛋白同源类似物的研究

1．1．2 FtsZ蛋白的结构与功能

1．1．3 FtsZ原丝纤维的结构与功能

1．2 Z环的结构与功能

1．2．1 Z环的结构与组装

1．2．2 Z环的收缩与收缩力的产生

1．2．3 Z环作为原核细胞的细胞骨架的研究

1．3 原核细胞分裂的调控机制

1．3．1 SlmA蛋白

1．3．2 MinCDE系统

第二章 实验材料与方法

2．1 FtsZ蛋白的克隆、表达和纯化

2．1．1 ftsZ基因的克隆和载体构建

2．1．2 FtsZ蛋白的表达和纯化

2．1．3 FtsZ蛋白晶体的生长和数据收集

2．2 EcFtsZ体内互补实验

2．3 GTP酶活测定实验

2．4 电镜负染实验

第三章 实验结论与分析

3．1 FtsZ蛋白的表达与纯化

3．2 FtsZ蛋白晶体的生长与数据处理

3．2．1 FtsZ蛋白晶体的生长

3．2．2 FtsZ蛋白晶体数据收集与处理

3．3 FtsZ蛋白晶体的结构分析

3．3．1 晶体结构中相邻亚基之间相互作用面的分析

3．3．2 晶体结构中相邻亚基作用面的生理相关性研究

3．3．3 晶体结构中亚基之间纵向相互作用面的研究

3．3．4 MtbFtsZ原丝纤维弯曲状态构象的研究

3．3．5 FtsZ蛋白原丝纤维弯曲力的产生机制

第四章 总结与展望

4．1 总结

4．2 展望

参考文献

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文