本文關(guān)鍵詞：FtsZ原絲纖維產(chǎn)生收縮力的軸轉(zhuǎn)機(jī)制

  更多相關(guān)文章： FtsZ 細(xì)胞分裂 Z環(huán)收縮 構(gòu)象變化 化學(xué)能轉(zhuǎn)化

【摘要】：細(xì)胞骨架蛋白FtsZ(細(xì)胞分裂溫度敏感突變體Z)能夠自組裝成為細(xì)菌細(xì)胞分裂過程中的一個(gè)關(guān)鍵細(xì)胞器—Z環(huán)。在細(xì)胞分裂過程中,Z環(huán)定位在細(xì)胞中部的未來細(xì)胞分裂位點(diǎn),隨著分裂隔膜形成,Z環(huán)通過水解GTP(三磷酸腺苷)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成為向內(nèi)拉伸的機(jī)械力,縮小自身直徑,拉動(dòng)隔膜內(nèi)陷,直至最終收縮分裂細(xì)胞。盡管在此之前,已經(jīng)有很多不同物種的FtsZ單體以及原絲纖維的結(jié)構(gòu)得到解析,但是有關(guān)FtsZ蛋白“水解-彎曲”機(jī)制的分子機(jī)理我們能知道的卻很少。 該論文研究的目的就是想要回答細(xì)菌細(xì)胞骨架蛋白FtsZ研究領(lǐng)域中的一個(gè)關(guān)鍵問題：Z環(huán)是怎樣將GTP水解的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為向內(nèi)收縮的張力?圍繞這個(gè)問題,該論文創(chuàng)新性的以所得到的FtsZ原絲纖維的晶體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)一系列的FtsZ突變體,結(jié)合體內(nèi)互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)、GTP酶活測定實(shí)驗(yàn)、體外聚合后電子顯微鏡負(fù)染觀察實(shí)驗(yàn),同時(shí)輔以分子動(dòng)力學(xué)模擬,提出并驗(yàn)證了一個(gè)Z環(huán)將GTP水解的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為向內(nèi)收縮的張力的分子機(jī)制。 我們發(fā)現(xiàn)FtsZ單體在結(jié)合GTP和結(jié)合GDP(二磷酸腺苷)時(shí)的主要構(gòu)象變化發(fā)生在T3環(huán)狀結(jié)構(gòu)域(T3loop), GTP的γ-磷酸基團(tuán)能夠和T3環(huán)的主鏈胺基形成兩個(gè)強(qiáng)氫鍵相互作用,從而鎖定T3環(huán)處于一種緊密結(jié)合構(gòu)象(Tension構(gòu)象,T構(gòu)象)。當(dāng)FtsZ結(jié)合GDP,失去了這兩個(gè)強(qiáng)氫鍵相互作用后,T3環(huán)除了可以處于緊密結(jié)合構(gòu)象之外,還可以處于一種松弛構(gòu)象(Relax構(gòu)象,R構(gòu)象)。此外,在FtsZ原絲纖維的垂直構(gòu)象中有兩個(gè)非常關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)特征,首先,T3環(huán)處于緊密結(jié)合構(gòu)象并和上面亞基的T7環(huán)相互作用,使得T7環(huán)上兩個(gè)保守的天冬氨酸靠近GTP y-磷酸基團(tuán)附近的一個(gè)水分子,在催化GTP水解的反應(yīng)中,這兩個(gè)天冬氨酸的酸性殘基極化這個(gè)水分子,使其能夠進(jìn)攻GTP的γ-磷酸基團(tuán)。其次,在FtsZ原絲纖維的垂直構(gòu)象中,相鄰兩個(gè)FtsZ亞基緊密結(jié)合,嚴(yán)絲合縫,夾在兩亞基之間的GDP是處于一種封閉狀態(tài),除非兩個(gè)亞基打開,是無法自由出來。因此我們推測,當(dāng)GTP發(fā)生水解,GTPγ-磷酸基團(tuán)和p-磷酸基團(tuán)之間的共價(jià)鍵斷裂,由于二者都攜帶負(fù)電荷,它們之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)巨大的排斥力,當(dāng)二者被封閉在兩個(gè)FtsZ亞基之間時(shí),這個(gè)巨大的排斥力驅(qū)使GTPγ-磷酸基團(tuán)推動(dòng)T3環(huán)發(fā)生一個(gè)從緊密結(jié)合構(gòu)象到松弛構(gòu)象的構(gòu)象變化,從而使兩個(gè)FtsZ亞基之間的結(jié)合從T3環(huán)和T7環(huán)接觸處打開,相鄰亞基圍繞支點(diǎn)(MtbL269)發(fā)生軸轉(zhuǎn)。GTP水解的化學(xué)能就這樣轉(zhuǎn)變成為相鄰FtsZ亞基之間的構(gòu)象變化的機(jī)械能。 上述GTP水解而導(dǎo)致的FtsZ原絲纖維構(gòu)象變化如何轉(zhuǎn)化為細(xì)菌細(xì)胞分裂向內(nèi)收縮的張力呢?FtsZ的C端肽鏈沒有一個(gè)穩(wěn)定的構(gòu)象,這段肽鏈會(huì)和FtsA相結(jié)合,而FtsA通過它的C端一個(gè)疏水的α-螺旋嵌在細(xì)胞膜上,Z環(huán)就是這樣被固定在細(xì)胞膜上位于隔膜最內(nèi)端。上述GTP水解而導(dǎo)致FtsZ原絲纖維的構(gòu)象變化則通過FtsA施加一個(gè)改變細(xì)胞膜曲度的一個(gè)向內(nèi)收縮的張力。 該項(xiàng)研究不僅幫助人們從結(jié)構(gòu)生物學(xué)的角度更好地理解細(xì)菌細(xì)胞骨架的自組裝與調(diào)控機(jī)制,而且還能為以細(xì)菌細(xì)胞分裂蛋白為靶標(biāo)的新型抗生素藥物設(shè)計(jì)提供直接明了的結(jié)構(gòu)信息。
【關(guān)鍵詞】：FtsZ 細(xì)胞分裂 Z環(huán)收縮 構(gòu)象變化 化學(xué)能轉(zhuǎn)化
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：Q25
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第一章 引言12-40
• 1.1 FtsZ蛋白的結(jié)構(gòu)與功能12-23
• 1.1.1 真核細(xì)胞微管蛋白同源類似物的研究12-15
• 1.1.2 FtsZ蛋白的結(jié)構(gòu)與功能15-17
• 1.1.3 FtsZ原絲纖維的結(jié)構(gòu)與功能17-23
• 1.2 Z環(huán)的結(jié)構(gòu)與功能23-34
• 1.2.1 Z環(huán)的結(jié)構(gòu)與組裝24-30
• 1.2.2 Z環(huán)的收縮與收縮力的產(chǎn)生30-33
• 1.2.3 Z環(huán)作為原核細(xì)胞的細(xì)胞骨架的研究33-34
• 1.3 原核細(xì)胞分裂的調(diào)控機(jī)制34-40
• 1.3.1 SlmA蛋白34-37
• 1.3.2 MinCDE系統(tǒng)37-40
• 第二章 實(shí)驗(yàn)材料與方法40-58
• 2.1 FtsZ蛋白的克隆、表達(dá)和純化40-51
• 2.1.1 ftsZ基因的克隆和載體構(gòu)建40-44
• 2.1.2 FtsZ蛋白的表達(dá)和純化44-46
• 2.1.3 FtsZ蛋白晶體的生長和數(shù)據(jù)收集46-51
• 2.2 EcFtsZ體內(nèi)互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)51-53
• 2.3 GTP酶活測定實(shí)驗(yàn)53-54
• 2.4 電鏡負(fù)染實(shí)驗(yàn)54-58
• 第三章 實(shí)驗(yàn)結(jié)論與分析58-90
• 3.1 FtsZ蛋白的表達(dá)與純化58-59
• 3.2 FtsZ蛋白晶體的生長與數(shù)據(jù)處理59-61
• 3.2.1 FtsZ蛋白晶體的生長59-60
• 3.2.2 FtsZ蛋白晶體數(shù)據(jù)收集與處理60-61
• 3.3 FtsZ蛋白晶體的結(jié)構(gòu)分析61-90
• 3.3.1 晶體結(jié)構(gòu)中相鄰亞基之間相互作用面的分析61-66
• 3.3.2 晶體結(jié)構(gòu)中相鄰亞基作用面的生理相關(guān)性研究66-74
• 3.3.3 晶體結(jié)構(gòu)中亞基之間縱向相互作用面的研究74-77
• 3.3.4 MtbFtsZ原絲纖維彎曲狀態(tài)構(gòu)象的研究77-85
• 3.3.5 FtsZ蛋白原絲纖維彎曲力的產(chǎn)生機(jī)制85-90
• 第四章 總結(jié)與展望90-92
• 4.1 總結(jié)90-91
• 4.2 展望91-92
• 參考文獻(xiàn)92-102
• 個(gè)人簡歷102-104
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文104

【共引文獻(xiàn)】

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3 李，

本文編號：598551