蓝藻细胞分裂关键蛋白FtsZ的性质及其调控

论文摘要

FtsZ是第一个被鉴定出来的定位在原核细胞分裂隔膜处的蛋白,是真核生物中微管蛋白的同源类似物。FtsZ非常保守,几乎发现于所有的原核生物中,作为主要的细胞骨架蛋白,在细胞分裂中起着关键的作用。大肠杆菌（Escherichia coli）等细菌FtsZ已在体外广泛研究。大肠杆菌的FtsZ（EcFtsZ）装配成长度为30-50个亚基的单线状原丝纤维,具有很高的GTP水解活性。组装,水解和解聚的循环使得FtsZ原丝纤维在体内和体外都具有高度动态性。这些原丝纤维在体内与其它十几种辅助蛋白一起,形成了高度动态的收缩环（Z环）。收缩环是细菌细胞分裂器的主要部分,在细菌分裂的末期,收缩环收缩使细菌分为两个细胞。蓝藻是最简单最原始的单细胞原核生物,含有叶绿素a,是可以进行产氧光合作用的最古老的生物体。在形态上,蓝细菌具有革兰氏阴性细菌的外膜特征,但蓝细菌中细胞分裂的调控系统具有与革兰氏阳性菌相同的特异性成分,而植物叶绿体又起源于内共生的古生蓝藻,因此研究蓝细菌细胞分裂系统与细菌和叶绿体的相似之处和差异,将为揭示细菌分裂的机理和进化提供新的见解。在这里,我们研究了单细胞聚球藻Synechocystis sp.PCC 6803 FtsZ（SyFtsZ）的生化特性和调控。我们的研究显示:SyFtsZ结合GTP后,聚合形成大的束状纤维结构,这与叶绿体FtsZ相似,但蓝藻有它自己特殊的生化特性,它不仅形成大的直形束状结构,还形成大的环形束状原丝纤维,并且蓝藻FtsZ的聚合显示出两个阶段的组装,在较短的时间内首先形成一些短的原丝混合物,包括单线、小直形或弯曲的束状原丝纤维,以及形成由多个原丝纤维组成的环状结构;这些结构再进一步聚合组装形成巨大的直形束状结构和直径约为200至300 nm的环形束状纤维结构。它们的GTP酶（GTPase）活性很弱,且聚合很慢。我们在研究中发现,在一段保守的序列（H8螺旋）上有两个氨基酸,在蓝藻中为丙氨酸,而在细菌中多为苏氨酸或者丝氨酸。将蓝藻的两个丙氨酸突变成苏氨酸和丝氨酸,其聚合增加了束状结构的形成,并且降低了GTP的水解活性。我们猜测SyFtsZ倾向于形成大的束状结构可能有助于FtsZ环的稳定性增强,这可能与蓝藻细胞直径较大,并且生长缓慢有关。我们也同时研究了蓝细菌收缩环的定位调控系统——Min系统。蓝藻Min系统对Z环定位的调控机制的组成和调节与革兰氏阴性和革兰氏阳性菌的机制不同。Synechocystis sp.PCC 6803的Min系统同时拥有与革兰氏阴性菌相似的MinCDE系统,又有来自革兰氏阳性菌的DivIVA类似蛋白Cdv3。它们可能同时通过MinE驱动的MinCD振荡和Cdv3介导的细胞中部的MinC完成Z环的正确定位,以保证蓝藻细胞的正确分裂。我们在前期的工作中发现,大肠杆菌和铜绿假单胞菌的MinC和MinD蛋白可以共同聚合成共聚纤维。通过对它们生化特性的研究,我们认为这种共聚物可以与FtsZ原丝纤维结合,这种“捕获”是MinCD阻止FtsZ原丝纤维从细胞中部离开,而使细菌收缩环不能在细菌中部以外的地方形成的原因。我们最新的研究发现蓝藻的MinC和MinD也可以聚合成共聚纤维。与之前报道不同,Synechocystis sp.PCC 6803的MinE可以抑制并拆卸MinC-MinD共聚物的组装,这种作用与细菌中MinE的作用一致,是Min系统关键的组成部分。蓝藻的Min系统的调控机制是未来的研究方向之一。本课题的开展阐明了蓝藻集胞藻属Synechocystis sp.PCC 6803的关键细胞分裂蛋白FtsZ的生化特性,并且为蓝藻Min系统对Z环定位的调控提供了新的有力的证据,对阐明其机理和进化关系具有十分重要的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 细胞骨架蛋白FtsZ
•     1.1.1 FtsZ亚基和原丝结构
•     1.1.2 FtsZ组装的生化特性
•     1.1.3 FtsZ在进化上的亲缘关系
•   1.2 细胞分裂的关键细胞器——Z环
•     1.2.1 Z环与细胞膜的结合
•     1.2.2 分裂体的形成
•     1.2.3 通过弯曲原丝产生收缩力的证据
•   1.3 细胞分裂的负调控系统
•     1.3.1 NO系统
•     1.3.2 SOS系统
•     1.3.3 Min系统
•   1.4 本课题的研究目的及意义
• 第二章 实验材料与方法
•   2.1 实验材料
•     2.1.1 实验仪器
•     2.1.2 实验试剂
•     2.1.3 培养基及缓冲液的配方
•     2.1.4 菌株及质粒
•   2.2 实验方法
•     2.2.1 目的基因重组质粒的构建
•     2.2.2 目的蛋白的提取和纯化
•     2.2.3 定点突变
•     2.2.4 蛋白性质测定
• 第三章 实验结果
•   3.1 蓝藻FtsZ聚合的动力学特征
•     3.1.1 SyFtsZ蛋白的表达与纯化
•     3.1.2 蓝藻FtsZ聚合的动力学特征
•     3.1.3 不同pH下缓冲液中SyFtsZ的不同组装特性
•     3.1.4 SyFtsZ的高度弯曲结构
•   3.2 SyFtsZ上影响束状结构形成的关键位点的研究
•     3.2.1 突变体质粒的构建及蛋白纯化
•     3.2.2 pH7.5 时野生型与突变型SyFtsZ聚合动力学的比较
•     3.2.3 pH7.2 时野生型与突变型SyFtsZ聚合动力学的比较
•     3.2.4 突变体SyFtsZ-TS GTP酶活的变化
•     3.2.5 EcFtsZ突变体的生化特性
•   3.3 蓝藻Min蛋白聚合的动力学
•     3.3.1 细菌MinCDE共聚物的组装
•     3.3.2 蓝藻MinCDE共聚物的组装
• 第四章 讨论与总结
•   4.1 蓝细菌的特点
•   4.2 比较分析蓝细菌FtsZ的生化特性
•   4.3 FtsZ弱的动态活性增加稳定性
•   4.4 负调控Min系统蛋白的组装特性
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 卞丽

导师: 陈耀东

关键词: 蓝细菌,系统,细胞骨架蛋白,收缩环

来源: 西北大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 西北大学

分类号: Q936

总页数: 80

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