Z环收缩的能量转化及其精密调控机制研究

Bacterial cytoskeletal protein FtsZ polymerizes into protofilaments. These protofilaments further organize into a structure termed the Z ring - a key cell division organelle. Z ring recruits the accessory division proteins to the septum in a sequential manner, localizing the highly orchestrated division events to specific sub-cellular compartments. With the formation of the septum, Z ring converts the chemical energy of GTP hydrolysis to a mechanical constrictive force, reduces its diameter, until finally divides a cell. We have addressed how FtsZ protofilament converts the chemical energy of GTP hydrolysis to a conformational change between two FtsZ subunits in a protofilament, and how the straight-to-curved transition exerts constrictive forces on the envelope. However, some important scientific questions remain to be addressed. For example, how FtsZ protofilaments further organize to form a Z ring? How Z ring remodels itself to contract? How Z ring contraction is regulated by cell physiology? Focusing on these topics, we propose to combine in vivo and in vitro studies, systematically study the molecular mechanism of Z ring structure, contraction and regulation, using interdisciplinary approaches of cell biology, structural biology, biophysics and biochemistry. This project will provide direct structural and molecular information for drug design targeting Z ring.

Z环是由细胞骨架蛋白FtsZ自组装形成的细菌细胞分裂中的一个关键细胞器。Z环定位在细胞中部，依次结合其他分裂蛋白，让一系列细胞分裂事件有序地发生。随隔膜形成，Z环将GTP水解的化学能转化为向内的机械力，缩小自身直径，拉动隔膜内陷，直至最终分裂细胞。我们的前期工作回答了FtsZ原丝纤维是如何将GTP水解的化学能转化为相邻亚基之间的构象变化，并进一步转化为一个改变细胞膜曲度的张力的。但仍有一些亟待解决的重要科学问题，如FtsZ原丝纤维如何进一步组装成Z环的？GTP水解而导致的FtsZ原丝纤维构象变化如何进一步动态地重组Z环，使之逐渐收缩？以及Z环收缩又是如何与细胞基本生理紧密结合，在细胞周期中被精密地调控？本项目围绕这些问题，采用多学科交叉手段，有机结合体内体外实验，从细胞生物学、结构生物学和生物物理化学多方面全面系统的研究Z环的结构、收缩和调控的分子机制。为靶向Z环的药物设计提供直接的信息。

我们针对细菌细胞骨架蛋白FtsZ的两个最重要的科学问题：FtsZ原丝纤维是如何进一步自组装成细菌细胞分裂的关键细胞器——Z环；以及Z环如何不断收缩的分子机制。以肺结核分支杆菌FtsZ原丝纤维为研究对象，首先，我们解析了一个新的FtsZ原丝纤维的X-射线晶体结构，并通过分析FtsZ蛋白的晶体结构，揭示了FtsZ原丝纤维间可通过两个不同的横向相互作用面，以反向平行的形式进一步相互作用并组装形成高级结构。在此基础上，我们根据结构设计了一系列突变体，通过体内光交联实验、功能互补实验技术手段证明了这两个相互作用面在生理条件下存在，在细胞正常分裂过程中发挥重要作用。在此基础上，我们设计了荧光显微镜的实验，通过共同表达野生型和横向相互作用面致死突变型，并调整致死突变型的表达量同时在致死突变型上加上绿色荧光蛋白，我们发现：当致死突变型的表达量低时，Z-环的荧光非常强，然而当提高致死突变型的表达量时，Z-环的荧光反而越来越暗，甚至消失，我们通过统计学的分析，完美的解释了这个现象，证明每对FtsZ亚基间的横向相互作用是以范德华力为主的弱相互作用。多聚的FtsZ原丝纤维上具有若干横向相互作用位点，其累加效应使得原丝纤维可以通过彼此间的相互作用形成Z环。另外，这样的相互作用使得Z环可以同时具备高度动态的特性，从而行使驱动细胞细胞壁均匀合成、细胞膜不断内陷等功能。本研究对进一步理解细菌细胞分裂机制具有重要意义，为以细胞分裂过程为靶点的新型抗生素的设计打下了基础。综上所述，我们圆满完成了本自然科学基金的研究目标。