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絕大多數的細菌都包裹在一層由肽聚糖組成的細胞壁中（圖一）。細胞壁不但決定了細菌細胞的形狀，還承受了細胞內外巨大的滲透壓力差（可達5到30個大氣壓），可謂是細菌細胞建築的鋼筋骨架。正因如此，在細菌的生長和分裂等重要生命過程中，精確重構完整的細胞壁是一項至關重要的工程。人類發現的首個抗生素，青黴素，就是透過破壞細菌細胞壁的合成來殺死病原細菌的。
構建完整的細胞壁絕非易事。肽聚糖的基本結構單元肽雙糖大約只有1奈米大小。以大腸桿菌為例，繞細菌的短軸一週（～3微米）就需要～3000個肽雙糖單元。這些單元必須整齊有序地組合成長的多糖鏈，並且透過肽橋交聯形成完整的網格狀結構（如圖一所示）。
在細菌分裂的過程中，特定位置的舊細胞壁必須被降解掉，而新細胞壁則於其內側不斷合成，最後成為半球形的細胞極（Cell Pole）。降解和重建須得在時間和空間上統一協調，任何細微的偏差都會導致細胞壁破裂和細菌死亡。因此，細菌進化出了一整套由超過三十種蛋白“零件”組成的分裂機器來精確地控制細胞分裂過程中新細胞壁的合成【1】。在這個複雜的分子機器中，一種名為FtsZ的蛋白組成了它的核心骨架。FtsZ可以水解GTP小分子，並在細胞分裂開始前在細胞中部（未來的分裂位置）聚整合纖維狀長鏈，進而組裝成環狀結構。這一環狀結構被稱為Z-環，它負責招募和組裝其他的蛋白，調控這些零件的執行（圖一），最終實現舊細胞壁的分解和新細胞壁的合成，完成細胞由一生二的生命活動【2】。
圖一、細菌細胞壁及Z環示意圖
約翰霍普金斯醫學院的肖傑教授實驗室的楊新星博士和他的同事們在2017年運用熒光超分辨和單分子成像發現Z環並非靜態的環狀結構。相反地，這一核心骨架結構圍繞細胞中心持續不停地旋轉，速度大約為30 nm/s（圖二A）【3】。旋轉的速度和FtsZ的GTP酶水解活性有關。活性越大速度越快。
該現象發表在科學雜誌上後，也在多種其他細菌如枯草芽孢桿菌【4】，變異鏈球菌【5】, 金黃色葡萄球菌【6】和肺炎鏈球菌【7】中被觀測到。這顯示Z環的動態旋轉在原核生物中具有很高的保守性。但動態的Z環如何精準地在時間和空間上控制細胞壁的合成尚不清楚。
圖二、Z環的三維結構光照明成像，箭頭所指為一個面朝紙外的環，其餘環指向不同方位
2021年1月25日，肖傑教授團隊和凱斯西儲大學的Piet de Boer教授合作在Nature Microbiology上發表了題為"A two-track model for the spatiotemporal coordination of bacterial septal cell wall synthesis revealed by single-molecule imaging of FtsW"的文章（本文的第一作者為楊新星博士），揭示了細胞壁合成酶在分裂機器中的雙軌工作模式以及動態的Z-環在其中的調控機制。
在這項工作中，作者們首先使用特拉華大學Catherine Grimes教授實驗室粱海博士開發的新型細胞壁熒游標記技術【8】，證實了一個名為FtsW的蛋白是分裂機器中必需的糖基轉移酶，負責將肽雙糖單元聚合連線到多糖鏈上。其後，他們透過高時間和空間解析度的單分子成像技術，實時地追蹤了單個FtsW分子在活細菌中的運動情況。有意思的是，大量的FtsW蛋白分子的確沿著細胞中Z環的方向進行定向的移動（圖三）。它們時而以某一速度前進，時而轉向，有時也會停滯不前。
圖三 、大腸桿菌細胞中單個FtsW的運動軌跡。左：單分子實時成像，移動的品紅色亮點即一個紅色熒光蛋白標記的FtsW分子。右：該分子沿細胞中Z環的方向隨時間的變化。
雖然猜測其運動與Z環的旋轉相關，但作者們在對這些FtsW蛋白的執行軌跡進行分析後發現兩者的運動速度分佈並不吻合：除去一部分FtsW分子以類似Z環的速度執行 （～30 nm/s）， 很大一部分FtsW分子的執行速度較慢（約8 nm/s）運動（圖四A）。為了搞清楚這部分慢速運動的原理，作者們對FtsZ進行了GTP酶活性的突變，以降低Z環的運動速率。令人吃驚的是，快速運動的FtsW蛋白隨之變慢(圖四B，藍線)，但慢速運動的FtsW分子幾乎不受影響（圖四B，紅線）。當快速運動FtsW分子的比例和速度降低後，細菌的細胞壁合成變得不均勻，甚至不能完成（圖四C）。這說明分裂機器可能利用Z環的快速旋轉將細胞壁合成酶（如FtsW）高效地分配到各個需要的位置，統一且協調地合成新的細胞壁。
圖四、A. Z環（上）和FtsW的運動速度分佈圖（下）。F t s W分子的速度分佈圖明顯由兩部分組成，一部分快（綠色峰），接近F t s Z的速度分佈圖， 一部分慢，平均速度為8nm/s（紅色峰）。B. FtsW快速運動和慢速運動平均速度和Z環速度的關係。C. 正常和FtsZ突變菌株（Z環運動速度減慢）的掃描電鏡成像。正常細胞中部分裂位置的新細胞壁對稱光滑，而突變體的分裂僅發生在左側。D. FtsW運動速率在細胞壁合成活性增強或抑制情況下的分佈。
這些慢速運動FtsW是由什麼驅動的呢？作者們猜測這些細胞壁合成酶可能沿著舊有細胞壁的多糖鏈方向進行持續的合成，其速度與酶的合成速率相當（類似於DNA或RNA合成酶的情形），而與Z環無關。為了驗證這一猜想，他們構建了具有更高活性的FtsW突變體，果然發現這些高活性的FtsW分子幾乎全部轉移到慢速運動的模式上 （圖四D， 紅色峰）。而當細胞壁的合成被用抗生素降低甚至完全阻止時，絕大部分FtsW分子運動加快，速度與Z環的速度相當（圖四C， 綠色峰）。作者們還研究了FtsW在富營養和貧營養的培養基，以及在沒有FtsW啟用蛋白FtsN的菌株中的運動情況 （這些條件也改變細胞壁合成速率）。這些實驗均發現當細胞壁合成活性高時，做慢速運動的FtsW分子增加， 快速FtsW分子減少， 反之亦然，證明FtsW的慢速運動即是合成酶進行細胞壁合成的動態過程。更有意思的是，這些實驗顯示FtsW慢速運動的速率即代表了細菌細胞活體內肽聚糖鏈的化學合成反應速率，大約為 每秒8 個雙肽糖， 從而讓在活體裡（而非試管內）實時測定單分子合成酶的生物化學反應變成可能。
由此，作者們認為細胞分裂機器採用一種雙軌模式來合成細胞壁：首先，Z環招募各種細胞壁合成所需的酶或其它蛋白，並快速將它們運輸和分配到可能的合成位點；之後，這些蛋白脫離Z環的軌道，結合到原有的細胞壁上，按照已有的多糖鏈軌道進行定向而持續的合成；最終，這些酶脫離細胞壁的軌道，重回自由擴散的狀態或是被Z環再次富集運輸到下一個合成點（圖五A）。我們可以把該機制想象為快速而精確的修建萬里長城的過程（圖五B）：每一段修築工程都可以由一部分工人（FtsW）獨立完成，他們在區域性按照既定的圖紙進行建設（慢速軌道）。而在全域性上，為了保證長城的整體位置和方向合理，我們可以先建一條沿預定位置的高鐵線（Z 環），工人和材料可以快速的在沿線運輸和協作（快速軌道）。這就保證了高效的將區域性和總體建設統一起來，快速而精確的完成整個長城的修建。
楊新星博士是本文的第一和共同通訊作者，Piet de Boer教授和肖傑教授是共同通訊作者。肖傑教授實驗室長期致力於發展和應用超分辨和單分子熒光成像技術，研究細菌生長，分裂，和基因調控的生物物理機制。歡迎有興趣的本科生和博士生聯絡肖傑教授([email protected]) 參與實驗室的研究工作。
原文連結：
https://doi.org/10.1038/s41564-020-00853-0
參考文獻
[1]. Du S, Lutkenhaus J. “Assembly and activation of the Escherichia coli divisome.” Molecular microbiology, 2017, 105(2): 177-187.
[2]. McQuillen R, and Xiao J. "Insights into the structure, function, and dynamics of the bacterial cytokinetic FtsZ-ring." Annual review of biophysics 49 (2020): 309-341.
[3]. Yang X, Lyu Z, Miguel A, et al. “GTPase activity–coupled treadmilling of the bacterial tubulin FtsZ organizes septal cell wall synthesis.” Science, 2017, 355(6326): 744-747.
[4]. Bisson-Filho A. W., et al. "Treadmilling by FtsZ filaments drives peptidoglycan synthesis and bacterial cell division." Science 355.6326 (2017): 739-743.
[5]. Li Y, et al. "MapZ forms a stable ring structure that acts as a nanotrack for FtsZ treadmilling in Streptococcus mutans." ACS nano 12.6 (2018): 6137-6146.
[6]. Monteiro J. M., et al. "Peptidoglycan synthesis drives an FtsZ-treadmilling-independent step of cytokinesis." Nature 554.7693 (2018): 528-532.
[7]. Perez A. J., et al. "Movement dynamics of divisome proteins and PBP2x: FtsW in cells of Streptococcus pneumoniae." Proceedings of the National Academy of Sciences 116.8 (2019): 3211-3220.
[8]. Liang H., et al. "Metabolic labelling of the carbohydrate core in bacterial peptidoglycan and its applications." Nature communications 8.1 (2017): 1-11.