環形蛋白質分解並開始細菌細胞分裂

細胞分裂對於所有生物體至關重要，並且取決於許多蛋白質和調節成分的協調活動。在大多數細菌中，這個過程的指令是在一組稱為 dcw 操縱子的基因中組織的。此組包含產生負責細胞分裂和建構細菌細胞壁的蛋白質所必需的遺傳訊息。

dcw操縱子如何活化細胞分裂基因？

這組基因由稱為轉錄因子的蛋白質開啟。這些蛋白質與稱為啟動子的 DNA 特定部分結合，決定轉錄的起始位置。這個起點出現在標記蛋白質序列開始的第一個密碼子（基因訊息的基本單位）之前。

其中一個轉錄因子是MraZ，它也是所有細菌中dcw 操縱子中的第一個基因。當 MraZ 活化操縱子時，簇內的基因會產生分裂細菌所需的蛋白質。透過這種方式，MraZ 充當主調節因子，控制大多數細菌物種中控制細胞分裂的因子的活性。

細菌分裂的分子機製成像

由UAB生物化學與分子生物學系教授、UAB生物技術與生物醫學研究所（IBB-UAB）研究員David Reverter領導的UAB研究小組揭示了這一調節背後的詳細機制。該團隊使用了先進的結構生物學方法，包括 X 射線晶體學和冷凍電子顯微鏡。

這些技術使科學家能夠確定 MraZ 轉錄因子如何與細菌中的 dcw 因子啟動子結合 生殖支原體。這些微生物經常用於實驗室研究，因為它們的基因組非常小。

與 MraZ 蛋白結合的 DNA 的原子水平視圖

dcw 操縱子的啟動子區域包含四個重複片段或“盒”，每個重複片段由六個核苷酸組成。重複的 DNA 序列在轉錄調控中扮演關鍵角色。

透過使用低溫電子顯微鏡檢查該系統，研究人員能夠以幾乎原子分辨率觀察到MraZ蛋白與這四個重複盒的DNA鹼基之間的相互作用。他們的觀察結果表明，MraZ 必須經歷結構變化才能成功與操縱子結合。

David Riveter 解釋說：“這是一個令人驚訝的觀察結果。MraZ 蛋白是八個相同的亞基，以甜甜圈的形狀連接，但有一個彎曲，不允許它們與啟動子的四個‘盒子’結合。然而，為了調節細胞分裂，我們看到甜甜圈如何破裂和變形，使四個亞基可以加入啟動子的四個盒子。”

了解細菌細胞分裂的重大進展

直接可視化 MraZ 如何與啟動細胞分裂的啟動子 DNA 相互作用代表了一項重大突破。到目前為止，研究該系統的研究人員主要依靠生化實驗和電腦建模來推斷該機制的工作原理。

Riverter 表示，這項研究中確定的調節系統很可能在細菌中廣泛存在。 Rivter 總結道：“這對大多數細菌來說是普遍存在的，因為所有 MraZ 蛋白都非常相似，具有相同的八聚體結構，而且調節細胞分裂過程的啟動子的 DNA 序列也相似。”

研究背後的國際合作

這項研究由阿拉巴馬大學生物技術和生物醫學研究所以及生物化學和分子生物學系的 David Reverter 團隊領導。這項工作是與法國斯特拉斯堡遺傳學、分子和細胞生物學研究所的 ALBA 同步加速器和冷凍電子顯微鏡服務機構合作進行的。