细菌骨架蛋白FtsZ在细胞分裂过程中的组装模式和作用机制研究

Propagation is one of the most fundamental characteristics of life. It is biologically significant and clinically important to understand the mechanism of bacterial propagation that proceeds via division. During bacterial division, the cytoskeleton protein FtsZ forms a ring-like structure (termed the Z ring) at the mid-cell site, and the Z ring contracts and decreases in diameter, causing a mother cell to constrict and eventually divide into two daughter cells. The structural dynamics and stability of the Z ring are determined by the architecture of the Z ring and the dynamic assembly/disassembly process of FtsZ within the Z ring. Although it has been extensively investigated for decades, the architecture of the Z ring in living cells remains elusive and the contracting mechanism is pretty controversial. This research project is designed to reveal the molecular architecture of the Z ring in living cells through a combined utilization of the randomly incorporated unnatural amino acid-mediated photo-crosslinking and high-resolution tandem mass spectrometry. In addition, the genetic approach and high-resolution microscopy imaging will be applied to uncover the dynamic assembly/disassembly process of the Z ring. These studies may unravel the assembly mode and functional mechanism of FtsZ in bacterial division, which would aid in the development of anti-bacterial drugs.

繁殖是生命的基本特征之一。细菌是通过一分为二来增殖的，了解细菌分裂的分子机制具有重要的生物学意义和医学价值。在细菌分裂过程中，细胞骨架蛋白FtsZ在母细胞中部自组装形成一个环状结构，称作分裂环“Z环”，“Z环”不断收缩带动中部细胞膜凹陷，最终使母细胞分为两个子细胞。在分裂过程中，“Z环”既要不断动态变化，又要维持结构的稳定性，因此，“Z环”中FtsZ的排列组装形式和其组装/去组装的动态过程决定了“Z环”收缩的分子机制。但过去几十年的研究并没有清晰揭示“Z-环”在活细胞中组装的形式和结构基础，其具体的收缩机制也备受争论。本项目拟通过非天然氨基酸随机突变体内光交联手段，结合高精度串联质谱，揭示“Z环”在活细胞中的组装形式。另外结合遗传学手段、超高分辨率显微成像等技术，研究“Z环”在收缩过程中组装/去组装的动态性，探索其收缩的分子机制。

繁殖是生命的基本特征之一。细菌细胞是通过一分为二进行增殖，在细菌细胞分裂过程中，细胞骨架蛋白FtsZ在母细胞的中部自组装形成一个环状结构，称作分裂环“Z环”，“Z环”不断收缩带动中部细胞膜凹陷，最终使母细胞分为两个子细胞，了解细菌分裂的分子机制具有重要生物学意义和医学开发前景。但过去几十年的研究尚未清晰揭示“Z环”在活细胞中组装的形式和结构基础，其进行收缩的具体机制也备受争论。.本项目以大肠杆菌FtsZ蛋白为模型研究了活细胞中“Z环”的组装机制。通过随机插入非天然氨基酸介导活细胞内光交联的手段，我们揭示了FtsZ蛋白组装而成的原丝纤维间的侧向组装位点。这些侧向相互作用依赖于FtsZ蛋白的纵向组装，具有层级性。.此外，我们在开展以上研究过程中，意外发现在细菌不生长不分裂的静止后期FtsZ蛋白定位于细胞两极的一种全新亚细胞结构中，我们将其命名为“复苏延迟体”。 我们通过超高分辨率活细胞显微成像等技术对该亚细胞结构开展了多方面的研究，结果表明，该亚细胞结构的形成与细胞复苏延迟和抗生素耐药性密切相关，似乎是具有持留特性的休眠细菌细胞的理想细胞标志结构，这一发现为进一步认识这种广谱耐药的细胞提供了新的机会。.本课题开展的研究进一步解析了“Z环”在体内的结构形式，揭示了不同生长时期FtsZ蛋白在细菌细胞分裂中发挥的重要作用，达到了课题的预期目标。受该基金标注支持的SCI论文总计6篇，项目负责人均为通讯作者。