大肠杆菌MreB细胞骨架及其结合蛋白的高分辨率动态空间网络及功能研究

Bacterial cytoskeletal protein MreB is the homolog of eukaryotic cytoskeletal actin. In the cell, MreB polymerizes into certain dynamic structures, which, as organizing centers, provide force, templates and guidance for the formation of cell architecture and subcellular structures. A cell being an integrative entity, at any moment of its cycle, spatial structures and distributions of macromolecules that use MreB as templates and scaffolds may interact with each other. Unfortunately, by far most studies are isolating as they have been focused on the structures and fuctions of MreB and one particular MreB-interacting protein at a time. There have been lacking systematic studies on the connections among structures formed by MreB and multiple proteins, neither the coordination of their functions...In this proposal, we are going to combine super-resolution fluorescence microscopy with molecular biology techniques to study the spatial location and organization of MreB and multiple MreB-interacting proteins. With that, we hope to constuct a dynamic, super-resolution image of the spatial network organized around MreB cytoskeleton. Results at the network level will help us understand more globally how MreB uses its dynamic structures to perform the organizing and regulating functions at different moments of the cell cycle. It will also help to answer how cell architecture, genetic information, and cell processes such as metabolism are coordinated.

细菌骨架蛋白MreB是真核细胞肌动蛋白Actin的同源蛋白。在细胞内，MreB聚合为特异的动态结构，作为组织中心提供细胞及亚细胞结构形成的力、模板和方向，参与多种细胞过程。细胞作为一个整体，在细胞周期的任一时刻，以MreB为模板或支架的生物大分子的空间结构和分布之间都会关联和相互影响。遗憾的是，目前已有的数据都是对MreB及其某个特定作用蛋白间的结构和功能的孤立研究，而对MreB与多个作用蛋白间结构和分布在空间位置上的联系以及相应的功能上的协调还没有研究。.我们将利用超高分辨率荧光显微镜结合分子生物学技术研究MreB及与其作用的多种蛋白质的空间位置和分布，建立一个以MreB为核心节点的空间网络的动态高分辨率图像。这个层面的结果将使我们可以更全面地理解MreB在细胞周期的各个时刻是如何通过其动态结构来发挥组织和调节功能的，并以此为模式来回答细胞构造与遗传信息及代谢等细胞过程是如何联系起来的。

细菌骨架蛋白MreB是真核细胞肌动蛋白Actin的同源蛋白。在细胞内，MreB聚合为特异的动态结构，作为组织中心提供细胞及亚细胞结构形成的力、模板和方向，参与多种细胞过程。细胞作为一个整体，在细胞周期的任一时刻，以MreB为模板或支架的生物大分子的空间结构和分布之间都会关联和相互影响。遗憾的是，目前已有的数据都是对MreB及其某个特定作用蛋白间的结构和功能的孤立研究，而对MreB与多个作用蛋白间结构和分布在空间位置上的联系以及相应的功能上的协调还没有研究。我们利用超高分辨率荧光显微镜结合分子生物学技术研究MreB及与其作用的多种蛋白质的空间位置和分布，建立一个以MreB为核心节点的空间网络的动态高分辨率图像。我们自行搭建适于高精度活细菌蛋白功能研究的高速、多色单分子超高分辨荧光显微镜；通过同源重组等技术构建多种荧光标记的菌株库；系统地应用多色超高分辨率显微镜精确地定位蛋白在三维空间的分布，研究以细菌骨架蛋白为核心的蛋白空间网络；并同时应用高精度单分子荧光追踪及光刺激-追踪等技术控制并观察细菌细胞骨架及其作用蛋白在活细胞内的动态过程。 展开以细菌细胞骨架蛋白网络为基础的细胞功能研究。通过研究，我们建立了一套研究细菌结构和功能的超分辨成像研究体系，为未来进一步开展其它有关细菌的研究提供了重要工具。我们还发现了细菌细胞骨架在决定细胞多种功能方面的有趣行为，同时发现了细菌膜蛋白的分布规律。