细胞壁合成的双轨工作模式

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绝大多数的细菌都包裹在一层由肽聚糖组成的细胞壁中（图一）。细胞壁不但决定了细菌细胞的形状，还承受了细胞内外巨大的渗透压力差（可达5到30个大气压），可谓是细菌细胞建筑的钢筋骨架。正因如此，在细菌的生长和分裂等重要生命过程中，精确重构完整的细胞壁是一项至关重要的工程。人类发现的首个抗生素，青霉素，就是通过破坏细菌细胞壁的合成来杀死病原细菌的。

构建完整的细胞壁绝非易事。肽聚糖的基本结构单元肽双糖大约只有1纳米大小。以大肠杆菌为例，绕细菌的短轴一周（～3微米）就需要～3000个肽双糖单元。这些单元必须整齐有序地组合成长的多糖链，并且通过肽桥交联形成完整的网格状结构（如图一所示）。

在细菌分裂的过程中，特定位置的旧细胞壁必须被降解掉，而新细胞壁则于其内侧不断合成，最后成为半球形的细胞极（Cell Pole）。降解和重建须得在时间和空间上统一协调，任何细微的偏差都会导致细胞壁破裂和细菌死亡。因此，细菌进化出了一整套由超过三十种蛋白“零件”组成的分裂机器来精确地控制细胞分裂过程中新细胞壁的合成【1】。在这个复杂的分子机器中，一种名为FtsZ的蛋白组成了它的核心骨架。FtsZ可以水解GTP小分子，并在细胞分裂开始前在细胞中部（未来的分裂位置）聚集成纤维状长链，进而组装成环状结构。这一环状结构被称为Z-环，它负责招募和组装其他的蛋白，调控这些零件的运行（图一），最终实现旧细胞壁的分解和新细胞壁的合成，完成细胞由一生二的生命活动【2】。

图一、细菌细胞壁及Z环示意图

约翰霍普金斯医学院的肖杰教授实验室的杨新星博士和他的同事们在2017年运用荧光超分辨和单分子成像发现Z环并非静态的环状结构。相反地，这一核心骨架结构围绕细胞中心持续不停地旋转，速度大约为30 nm/s（图二A）【3】。旋转的速度和FtsZ的GTP酶水解活性有关。活性越大速度越快。

该现象发表在科学杂志上后，也在多种其他细菌如枯草芽孢杆菌【4】，变异链球菌【5】, 金黄色葡萄球菌【6】和肺炎链球菌【7】中被观测到。这显示Z环的动态旋转在原核生物中具有很高的保守性。但动态的Z环如何精准地在时间和空间上控制细胞壁的合成尚不清楚。

图二、Z环的三维结构光照明成像，箭头所指为一个面朝纸外的环，其余环指向不同方位

2021年1月25日，肖杰教授团队和凯斯西储大学的Piet de Boer教授合作在Nature Microbiology上发表了题为"A two-track model for the spatiotemporal coordination of bacterial septal cell wall synthesis revealed by single-molecule imaging of FtsW"的文章（本文的第一作者为杨新星博士），揭示了细胞壁合成酶在分裂机器中的双轨工作模式以及动态的Z-环在其中的调控机制。

在这项工作中，作者们首先使用特拉华大学Catherine Grimes教授实验室粱海博士开发的新型细胞壁荧光标记技术【8】，证实了一个名为FtsW的蛋白是分裂机器中必需的糖基转移酶，负责将肽双糖单元聚合连接到多糖链上。其后，他们通过高时间和空间分辨率的单分子成像技术，实时地追踪了单个FtsW分子在活细菌中的运动情况。有意思的是，大量的FtsW蛋白分子的确沿着细胞中Z环的方向进行定向的移动（图三）。它们时而以某一速度前进，时而转向，有时也会停滞不前。

图三 、大肠杆菌细胞中单个FtsW的运动轨迹。左：单分子实时成像，移动的品红色亮点即一个红色荧光蛋白标记的FtsW分子。右：该分子沿细胞中Z环的方向随时间的变化。

虽然猜测其运动与Z环的旋转相关，但作者们在对这些FtsW蛋白的运行轨迹进行分析后发现两者的运动速度分布并不吻合：除去一部分FtsW分子以类似Z环的速度运行 （～30 nm/s）， 很大一部分FtsW分子的运行速度较慢（约8 nm/s）运动（图四A）。为了搞清楚这部分慢速运动的原理，作者们对FtsZ进行了GTP酶活性的突变，以降低Z环的运动速率。令人吃惊的是，快速运动的FtsW蛋白随之变慢(图四B，蓝线)，但慢速运动的FtsW分子几乎不受影响（图四B，红线）。当快速运动FtsW分子的比例和速度降低后，细菌的细胞壁合成变得不均匀，甚至不能完成（图四C）。这说明分裂机器可能利用Z环的快速旋转将细胞壁合成酶（如FtsW）高效地分配到各个需要的位置，统一且协调地合成新的细胞壁。

图四、A. Z环（上）和FtsW的运动速度分布图（下）。F t s W分子的速度分布图明显由两部分组成，一部分快（绿色峰），接近F t s Z的速度分布图， 一部分慢，平均速度为8nm/s（红色峰）。B. FtsW快速运动和慢速运动平均速度和Z环速度的关系。C. 正常和FtsZ突变菌株（Z环运动速度减慢）的扫描电镜成像。正常细胞中部分裂位置的新细胞壁对称光滑，而突变体的分裂仅发生在左侧。D. FtsW运动速率在细胞壁合成活性增强或抑制情况下的分布。

这些慢速运动FtsW是由什么驱动的呢？作者们猜测这些细胞壁合成酶可能沿着旧有细胞壁的多糖链方向进行持续的合成，其速度与酶的合成速率相当（类似于DNA或RNA合成酶的情形），而与Z环无关。为了验证这一猜想，他们构建了具有更高活性的FtsW突变体，果然发现这些高活性的FtsW分子几乎全部转移到慢速运动的模式上 （图四D， 红色峰）。而当细胞壁的合成被用抗生素降低甚至完全阻止时，绝大部分FtsW分子运动加快，速度与Z环的速度相当（图四C， 绿色峰）。作者们还研究了FtsW在富营养和贫营养的培养基，以及在没有FtsW激活蛋白FtsN的菌株中的运动情况 （这些条件也改变细胞壁合成速率）。这些实验均发现当细胞壁合成活性高时，做慢速运动的FtsW分子增加， 快速FtsW分子减少， 反之亦然，证明FtsW的慢速运动即是合成酶进行细胞壁合成的动态过程。更有意思的是，这些实验显示FtsW慢速运动的速率即代表了细菌细胞活体内肽聚糖链的化学合成反应速率，大约为 每秒8 个双肽糖， 从而让在活体里（而非试管内）实时测定单分子合成酶的生物化学反应变成可能。

由此，作者们认为细胞分裂机器采用一种双轨模式来合成细胞壁：首先，Z环招募各种细胞壁合成所需的酶或其它蛋白，并快速将它们运输和分配到可能的合成位点；之后，这些蛋白脱离Z环的轨道，结合到原有的细胞壁上，按照已有的多糖链轨道进行定向而持续的合成；最终，这些酶脱离细胞壁的轨道，重回自由扩散的状态或是被Z环再次富集运输到下一个合成点（图五A）。我们可以把该机制想象为快速而精确的修建万里长城的过程（图五B）：每一段修筑工程都可以由一部分工人（FtsW）独立完成，他们在局部按照既定的图纸进行建设（慢速轨道）。而在全局上，为了保证长城的整体位置和方向合理，我们可以先建一条沿预定位置的高铁线（Z 环），工人和材料可以快速的在沿线运输和协作（快速轨道）。这就保证了高效的将局部和总体建设统一起来，快速而精确的完成整个长城的修建。

图五：A:细胞壁合成的双轨模式，Z环的运动带动FtsW（左侧）快速输送到潜在的细胞壁合成位点（右侧），然后FtsW脱离Z环进入慢速的持续性细胞壁合成模式。B：卡通双轨模型。作者：王子萱， 巴尔的摩Calvert 学校六年级学生。

杨新星博士是本文的第一和共同通讯作者，Piet de Boer教授和肖杰教授是共同通讯作者。肖杰教授实验室长期致力于发展和应用超分辨和单分子荧光成像技术，研究细菌生长，分裂，和基因调控的生物物理机制。欢迎有兴趣的本科生和博士生联系肖杰教授(xiao@jhmi.edu) 参与实验室的研究工作。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41564-020-00853-0

制版人：Kira

参考文献

[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.