葉升教授（右）和課題組博士生、論文第一作者李穎。（攝影 盧紹慶）
    
    
    圖片說明：GTP水解導(dǎo)致FtsZ原絲纖維彎曲并對(duì)細(xì)胞膜施加一個(gè)向內(nèi)的收縮力
    
    細(xì)胞分裂，一個(gè)變兩個(gè)，看似簡(jiǎn)單而奧妙無窮的生命過程。在開始分裂的那一剎那，是什么力量讓細(xì)胞產(chǎn)生“凹陷”，進(jìn)而一分為二？浙江大學(xué)生命科學(xué)研究院葉升課題組，第一次解析了細(xì)胞分裂蛋白FtsZ所形成的原絲纖維的三維結(jié)構(gòu)，找到了其中的答案，這一研究將為廣譜抗生素的研發(fā)提供依據(jù)。
    
    7月26日，美國(guó)《科學(xué)》雜志刊登了題為《FtsZ原絲纖維通過軸轉(zhuǎn)機(jī)制而產(chǎn)生分裂力》（“FtsZ protofilaments use a hinge-opening mechanism for constrictive force generation”）研究論文。第一作者為生命科學(xué)研究院的博士生李穎。
    
    細(xì)胞分裂時(shí)，母細(xì)胞中間會(huì)先產(chǎn)生一層隔膜，60多年前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了組成這層隔膜的關(guān)鍵蛋白，把它命名為FtsZ。1991年，科學(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細(xì)胞分裂發(fā)生時(shí)，許多個(gè)FtsZ蛋白首尾相連形成原絲纖維，這些原絲纖維再相互組合，如同項(xiàng)鏈，形成一個(gè)在細(xì)胞中部圍繞細(xì)胞的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們稱它為“收縮之環(huán)”，也叫 Z環(huán)。在Z環(huán)收縮之力的“驅(qū)動(dòng)”下，母細(xì)胞向內(nèi)凹陷，進(jìn)而一分為二成為兩個(gè)子細(xì)胞。
    
    收縮之力來自哪里？這個(gè)問題，科學(xué)界一直有爭(zhēng)議。如果我們?cè)陬^發(fā)絲的六萬分之一的尺度下觀察細(xì)胞的Z環(huán)，就會(huì)看到它們主要是由FtsZ蛋白結(jié)合GTP形成的原絲纖維組成，當(dāng)細(xì)胞發(fā)生分裂，GTP會(huì)分解成為GDP，并釋放化學(xué)能。2008年，一項(xiàng)刊登在《科學(xué)》雜志上的研究結(jié)束了持續(xù)多年的爭(zhēng)議，研究指出，正是FtsZ蛋白，將GTP水解過程中產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為了機(jī)械能。但是，這一轉(zhuǎn)換究竟如何實(shí)現(xiàn)，幾年來一直沒有人能夠解釋。
    
     “如果能解析到FtsZ蛋白原絲纖維的三維結(jié)構(gòu)，其中的機(jī)制就能真相大白。”葉升教授多年來從事結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究，在他眼中，一個(gè)個(gè)蛋白質(zhì)，就是一部部大自然神秘的生物分子機(jī)器，他的研究，就是要“打開”機(jī)器，通過分析機(jī)器的結(jié)構(gòu)來解釋機(jī)器的功能。“每個(gè)細(xì)胞都是一個(gè)物質(zhì)、能量與信息過程精巧結(jié)合的綜合體，即使是最簡(jiǎn)單的細(xì)胞，也遠(yuǎn)比迄今人類設(shè)計(jì)出的任何計(jì)算機(jī)控制的智能機(jī)器更為精巧。”
    
    正如汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)，它將汽油燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)。葉升課題組的目標(biāo)就是摸透這部細(xì)胞里的“發(fā)動(dòng)機(jī)”的工作原理。5年來，有一個(gè)信念支持著課題組的：“大自然是不會(huì)輕易浪費(fèi)一點(diǎn)能量的。”
    
    葉升課題組從結(jié)核分枝桿菌中克隆了FtsZ的基因，通過X射線衍射，課題組拍下了100多張不同角度的FtsZ蛋白晶體衍射圖。再通過計(jì)算機(jī)分析，他們成功得到了FtsZ蛋白的三維結(jié)構(gòu)圖，第一次看到了這樣的景象：GTP水解后，F(xiàn)tsZ原絲纖維發(fā)生了50度的彎曲。原來，F(xiàn)tsZ蛋白的頂端有一處非常“柔軟”的部分，課題組推測(cè)，當(dāng)GTP水解為GDP時(shí)， GTP的g-磷酸基團(tuán)和b-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，這一排斥力能夠引起FtsZ蛋白的這個(gè)柔軟部分發(fā)生構(gòu)象變化，從而使兩個(gè)相鄰的FtsZ亞基圍繞一個(gè)支點(diǎn)發(fā)生彎曲，GTP水解的化學(xué)能就這樣推動(dòng)兩個(gè)相鄰FtsZ亞基之間發(fā)生一個(gè)相對(duì)彎曲。這個(gè)相對(duì)彎曲提供了細(xì)胞膜內(nèi)陷的“原始動(dòng)力”，進(jìn)而引發(fā)整個(gè)Z環(huán)向內(nèi)收縮。
    
    “我們從結(jié)構(gòu)生物學(xué)角度，更精確地理解了細(xì)胞分裂機(jī)制，回應(yīng)并進(jìn)一步解析了2008年《科學(xué)》雜志提出的觀點(diǎn)。”葉升說，這一研究為研究新的廣譜抗菌藥物的提供了直接的結(jié)構(gòu)信息。下一步，課題組將以FtsZ蛋白以及Z環(huán)為靶標(biāo)，進(jìn)行肺結(jié)核病的分子藥物設(shè)計(jì)。“我們可以通過抑制FtsZ從而達(dá)到抑制細(xì)菌分裂的目的。”
    
    (周煒)
    
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