FtsZ原丝纤维的结构生物学研究

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―未来细胞分裂位点，依次结合其他细胞分裂蛋白，让一系列细胞分裂事件有序地发生在相应的时间和位置。随着分裂隔膜形成，Z环通过水解GTP，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。本项目将采用蛋白质晶体学方法测定FtsZ原丝纤维的晶体结构，并以结构为基础，结合其他生物物理化学技术，揭示FtsZ自我组装和Z环收缩的分子机制。本项研究不仅将帮助我们从结构生物学角度更好地理解细胞骨架自组装与调控机制，为进一步研究定位在Z环上的其他细胞分裂事件打下良好基础，还能为以Z环为靶向系统的药物设计提供直接的结构信息，从而使以分子结构为基础的药物设计成为可能。

国家自然科学基金面上项目“FtsZ原丝纤维的结构生物学研究”已顺利结题,相关成果已于2013年7月26号在线发表在Science杂志上，题为“FtsZprotofilaments use a hinge-opening mechanism for constrictive force generation”。.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―未来细胞分裂位点，随着分裂隔膜形成，Z环通过水解GTP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FtsZ单体以及原丝纤维的结构得到解析，但是有关FtsZ的水解-弯曲机制的分子机理我们所能知道的却很少。.该项目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，本文以所得到的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、GTPase酶活测定、体外聚合后电子显微镜负染观测，同时辅以分子动力学模拟，提出并验证了一个Z环是怎样将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时的主要构象变化发生在T3环状结构区（T3 loop），GTP的g-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（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（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GTP g-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 g-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，GTP g-磷酸基团和b-磷酸基团之间的共价键断裂，由于二者都携带