作為生命活動的直接執行者，蛋白質功能的實現常依賴于其結構的動态性與穩定性之間的微妙平衡。主要由FtsZ蛋白所形成的細菌細胞分裂環（也被稱為“Z環”）完美地體現了這種平衡過程：這種蛋白質既需在細胞中部形成穩定的環狀結構以招募多種其它蛋白質而形成分裂體，同時又需不斷地動态重構以驅動細胞一分為二。盡管FtsZ蛋白已被研究三十餘年，但分裂環是如何從其動态組裝/去組裝的過程中顯現的呢？仍缺少答案。

2025年6月4日，beat365官方网站昌增益課題組在Nature Communications發表題為“A FtsZ cis disassembly element acts in Z-ring assembly during bacterial cell division”的研究論文，首次揭示FtsZ蛋白N末端的一段無序結構發揮了内源性（順式）去組裝元件的功能。它通過一種“自我刹車”機制調控着細胞分裂環的動态組裝過程以及在細胞内的空間定位；這為理解細菌分裂環的時空精密調控提供了關鍵知識。

該研究團隊通過多種前沿技術的聯用成功捕捉到活細胞内分裂環處于不同階段的“分子快照”。這包括利用通過遺傳學方法引入到FtsZ蛋白中的非天然氨基酸在活細胞内進行光交聯，以捕獲FtsZ蛋白的瞬時相互作用；通過自主研發的高通量蛋白質電泳技術（單塊凝膠可同步分析384種蛋白質樣品）實現超靈敏的蛋白質互作圖譜分析；通過高分辨率質譜技術解析N末端無序區域（N-terminal intrinsically disordered region，N-IDR）的精确互作網絡等等，因此而系統地解析了FtsZ蛋白在活細胞中的動态組裝模式。

該團隊的研究揭示，FtsZ蛋白的N末端無序區域通過競争性結合至FtsZ蛋白組裝形成的原絲纖維的縱向互作表面而減弱其相互作用，從而發揮内源性（順式）的去組裝功能。在此基礎上，外源性的（反式）蛋白質因子（如MinC蛋白等）通過其所形成的濃度梯度而确保分裂環精準定位于細胞的中部。這表明，FtsZ蛋白本身結構所促進的組裝和去組裝的對抗性平衡是細胞分裂環形成和發揮功能的核心内容。

圖1 鑒定活細胞内FtsZ蛋白中的各氨基酸殘基介是否介導自組裝的流程圖（A）及高通量檢測FtsZ蛋白全部氨基酸位點是否介導自組裝的結果圖（B）

傳統研究主要聚焦于細胞分裂環中蛋白質的組裝機制，而對組裝後的去組裝過程如何發生知之甚少。該研究成果不僅解答了細菌分裂過程本身的科學問題，同時還開創性地揭示了蛋白質分子中的無序結構元件介導蛋白質動态組裝和去組裝的新範式。事實上，蛋白質的這種動态組裝和去組裝過程普遍存在于不同生命活動中。該研究發現的内源性（順式）去組裝元件是否也參與其他生物過程中的蛋白質動态調控，是一個值得深入探索的重要科學問題。

圖2  細菌細胞分裂環的形成（A）及内源性（順式）元件促進FtsZ蛋白組成形成的原絲纖維在細胞中部組裝的分子機制示意圖（B）

beat365官方网站已畢業的殷會佳博士為該文的第一作者，實驗室的劉洋老師和2023級研究生趙瑩同學為本文的并列第一作者。已畢業的2018級本科生陳鵬越同學也參與了本文的工作。

長期開展活細胞蛋白質探究的昌增益課題組過去獲得了以下代表性的發現：負責細菌新生外膜蛋白轉運的超級蛋白質複合體的存在（Wang et al, JBC, 2016, 291:16720-16729）；僅在休眠細菌中形成的可逆亞細胞結構複蘇延遲體（由多種重要蛋白質通過發生相變而形成）的存在（Yu et al, Cell Discovery, 2019, 5:8; doi.org/10.1038/s41421-019-0080-3）；細胞内合成能量貨币ATP分子的ATP合酶以兩種結構和功能形式存在（Liu et al, FEBS Journal, 2021, 288:2989-3009）等等。

本研究由國家自然科學基金（包括其原創探索基金項目）、beat365官方网站-啟東産業創新基金以及基因功能研究與操控全國重點實驗室共同資助完成。研究過程中，北大蛋白功能光學顯微成像平台、蛋白質組學核心設施、beat365儀器中心及鳳凰工程等多個校級科研平台為本工作提供了重要的技術支持。

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