细菌分裂蛋白FtsZ的动态特性及其形成Z环的相关机制探究

FtsZ, the major prokaryotic cytoskeletal protein, polymerizes into filaments and further assembles into a ring structure named Z-ring. The Z-ring constricts the cell and recruitments other proteins to form the divisome at midcell. Despite exhaustive studies undertaken in the last 25 years after its discovery, we do not yet know the mechanism by which the FtsZ forms this ring structure and exerts force on the underlying membrane. Recent studies have shown that FtsZ exhibits dynamic treadmilling predominantly determined by its guanosine triphosphatase activity. Our study aims to reveal why the FtsZ treadmills and how it can be regulated. What’s more important is that we want to further study how these dynamic filaments form the Z-ring.

FtsZ是原核生物中最主要的细胞骨架蛋白，其亚基可以多聚形成原丝纤维，并在分裂位点进一步组装成名为Z环的环状结构。Z环是细菌分裂机器的核心成分，在细胞分裂过程中扮演关键角色。它可以产生向内收缩的力并作为支架蛋白招募其它相关蛋白组装成分裂体。尽管已经被研究多年，但FtsZ原丝纤维如何组装形成Z环、Z环具有怎样的结构、Z环如何产生收缩力等核心问题依然没有答案。近年来随着研究的深入，人们发现组成Z环的FtsZ纤维是高度动态的，表现出如“脚踏车运动”这样特殊的动力学特性。本课题旨在研究这一动力学特性背后的分子机制，揭示其影响因素，并探究它在Z环形成中的作用。

FtsZ是细菌中的细胞骨架蛋白，在细菌分裂过程中发挥关键作用。和真核生物骨架蛋白一样，FtsZ蛋白也通过组装成蛋白丝行使功能。FtsZ亚基以头尾相连的形式组装成单根的原丝纤维，原丝纤维可以进一步在细胞中部组装成能够缢裂细胞的环状结构—Z环。最近有研究表明，形成Z环的FtsZ原丝纤维可表现出“踏车”这一特殊的动态特性。该特征对细菌膈膜的形成具有重要意义，但这一现象背后的分子机制仍未得到解析。为此，我们分析了所有FtsZ亚基的结构，阐明了与亚基装配有关的构象变化。并通过精细化的残基对相互作用打分函数，揭示了FtsZ亚基在装配时内部相互作用网络的变化。由此，我们提出了FtsZ亚基的H7螺旋是别构变化的“高速公路”。当游离的FtsZ亚基从原丝纤维底端装配时，稳定H7螺旋顶部的相互作用网络被破坏，引发了H7螺旋的偏转，这一扰动被H7螺旋进一步向下传递并放大为N端、C端结构域的相对转动。FtsZ亚基也因此从R构象转变为在原丝纤维中更为稳定的T构象。与之相对的是，当游离亚基从原丝纤维顶部装配时，参与相互作用的C端结构域远离重要的别构通路中的分子开关，不易引发FtsZ亚基的构象变化。由此，我们阐明了FtsZ原丝纤维的表现出动力学极性的内在分子机制。