细胞分裂，一个变两个，看似简单而奥妙无穷的生命过程。在开始分裂的那一刹那，是什么力量让细胞产生“凹陷”，进而一分为二？浙江大学生命科学研究院叶升课题组，第一次解析了细胞分裂蛋白FtsZ所形成的原丝纤维的三维结构，找到了其中的答案，这一研究将为广谱抗生素的研发提供依据。

7月26日，美国《科学》杂志刊登了题为《FtsZ原丝纤维通过轴转机制而产生分裂力》（“FtsZ protofilaments use a hinge-opening mechanism for constrictive force generation”）研究论文。第一作者为生命科学研究院的博士生李颖。

细胞分裂时，母细胞中间会先产生一层隔膜，60多年前，科学家发现了组成这层隔膜的关键蛋白，把它命名为FtsZ。1991年，科学家进一步发现，当细胞分裂发生时，许多个FtsZ蛋白首尾相连形成原丝纤维，这些原丝纤维再相互组合，如同项链，形成一个在细胞中部围绕细胞的环状结构，科学家们称它为“收缩之环”，也叫 Z环。在Z环收缩之力的“驱动”下，母细胞向内凹陷，进而一分为二成为两个子细胞。

收缩之力来自哪里？这个问题，科学界一直有争议。如果我们在头发丝的六万分之一的尺度下观察细胞的Z环，就会看到它们主要是由FtsZ蛋白结合GTP形成的原丝纤维组成，当细胞发生分裂，GTP会分解成为GDP，并释放化学能。2008年，一项刊登在《科学》杂志上的研究结束了持续多年的争议，研究指出，正是FtsZ蛋白，将GTP水解过程中产生的化学能转化为了机械能。但是，这一转换究竟如何实现，几年来一直没有人能够解释。

“如果能解析到FtsZ蛋白原丝纤维的三维结构，其中的机制就能真相大白。”叶升教授多年来从事结构生物学的研究，在他眼中，一个个蛋白质，就是一部部大自然神秘的生物分子机器，他的研究，就是要“打开”机器，通过分析机器的结构来解释机器的功能。“每个细胞都是一个物质、能量与信息过程精巧结合的综合体，即使是最简单的细胞，也远比迄今人类设计出的任何计算机控制的智能机器更为精巧。”

正如汽车的发动机，它将汽油燃烧产生的化学能转化为机械能，从而驱动汽车前进。叶升课题组的目标就是摸透这部细胞里的“发动机”的工作原理。5年来，有一个信念支持着课题组的：“大自然是不会轻易浪费一点能量的。”

叶升课题组从结核分枝杆菌中克隆了FtsZ的基因，通过X射线衍射，课题组拍下了100多张不同角度的FtsZ蛋白晶体衍射图。再通过计算机分析，他们成功得到了FtsZ蛋白的三维结构图，第一次看到了这样的景象：GTP水解后，FtsZ原丝纤维发生了50度的弯曲。原来，FtsZ蛋白的顶端有一处非常“柔软”的部分，课题组推测，当GTP水解为GDP时， GTP的g-磷酸基团和b-磷酸基团之间的共价键断裂，由于二者都携带负电荷，它们之间会产生一个巨大的排斥力，这一排斥力能够引起FtsZ蛋白的这个柔软部分发生构象变化，从而使两个相邻的FtsZ亚基围绕一个支点发生弯曲，GTP水解的化学能就这样推动两个相邻FtsZ亚基之间发生一个相对弯曲。这个相对弯曲提供了细胞膜内陷的“原始动力”，进而引发整个Z环向内收缩。

“我们从结构生物学角度，更精确地理解了细胞分裂机制，回应并进一步解析了2008年《科学》杂志提出的观点。”叶升说，这一研究为研究新的广谱抗菌药物的提供了直接的结构信息。下一步，课题组将以FtsZ蛋白以及Z环为靶标，进行肺结核病的分子药物设计。“我们可以通过抑制FtsZ从而达到抑制细菌分裂的目的。”

原文摘要：

FtsZ Protofilaments Use a Hinge-Opening Mechanism for Constrictive Force Generation

The essential bacterial protein FtsZ is a guanosine triphosphatase that self-assembles into a structure at the division site termed the “Z ring”. During cytokinesis, the Z ring exerts a constrictive force on the membrane by using the chemical energy of guanosine triphosphate hydrolysis. However, the structural basis of this constriction remains unresolved. Here, we present the crystal structure of a guanosine diphosphate–bound Mycobacterium tuberculosis FtsZ protofilament, which exhibits a curved conformational state. The structure reveals a longitudinal interface that is important for function. The protofilament curvature highlights a hydrolysis-dependent conformational switch at the T3 loop that leads to longitudinal bending between subunits, which could generate sufficient force to drive cytokinesis.
 

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