《International Journal of Oral Science》：Structure insight into FtsZ function maintaining under acid stress of Streptococcus mutans
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本研究针对变形链球菌（S. mutans）在酸性环境下维持细胞分裂的机制展开探索。研究人员通过解析SmFtsZ晶体结构，发现独特的侧向相互作用界面，并证实Arg68突变（R68A）可显著抑制酸性条件下FtsZ聚合功能与GTPase活性。体内外实验表明该突变有效降低细菌耐酸性和致龋能力。分子动力学模拟揭示pH依赖的构象变化机制，为靶向抗菌药物研发提供新策略。
在口腔这个微环境中，pH值的波动如同天气变化般频繁。当细菌代谢碳水化合物产酸时，口腔局部pH可降至5.5以下，形成对大多数微生物致命的酸性环境。然而，变形链球菌（Streptococcus mutans）却能在这种恶劣条件下茁壮成长，成为龋病最主要的致病菌。这种"超能力"源于其完善的耐酸反应系统，但长期以来，科学家们一直困惑于：在细胞质pH随环境酸化的前提下，该菌如何维持细胞分裂等核心生命活动的正常进行？
FtsZ作为细菌细胞分裂的核心蛋白，其聚合形成的Z环（Z-ring）如同细胞的"分裂腰带"，指导细胞分裂过程的进行。有趣的是，先前研究发现，在酸性条件下，变形链球菌FtsZ（SmFtsZ）反而表现出更高的自我组装能力和GTP酶（GTPase）活性。这一反常现象暗示SmFtsZ可能在该菌的耐酸性中扮演特殊角色，但其分子机制始终成谜。
为了揭开这一谜团，陈玉星等研究人员在《International Journal of Oral Science》上发表了最新研究成果，通过多学科交叉的方法，从原子水平解析了SmFtsZ在酸应激下的功能维持机制。
研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：X射线晶体学解析SmFtsZ三维结构；体外聚合实验和GTPase活性检测评估蛋白功能；分子动力学模拟（CpHMD）分析pH依赖的构象变化；冷冻电镜观察蛋白聚合形态；小角X射线散射（SAXS）分析溶液中的聚合行为；全内反射荧光（TIRF）成像研究Z环动态；大鼠龋病模型评估体内致龋性。
结果
SmFtsZ晶体结构展示四聚体间的独特界面
研究人员首次解析了分辨率为3.49 ?的SmFtsZ截短体（1-319残基）与GTP（三磷酸鸟苷）复合物的晶体结构。结构显示，四个SmFtsZ单体以"栅栏状"模式排列形成四聚体，呈现出独特的侧向相互作用界面。在纵向界面，Thr272-Lys176、Glu277-Phe139等氨基酸对形成关键相互作用；而在侧向界面，Arg68与Arg243/Tyr247等残基间形成氢键和盐桥。
R68是酸性环境中FtsZ聚合的关键位点
通过定点突变和透射电镜观察，研究人员发现Arg68位点的突变（R68A、R68G、R68L）显著影响酸性条件下的FtsZ功能。在pH 7.4时，突变体仍能形成类似野生型的纤丝结构；但在pH 6.0和5.0条件下，突变体无法形成多纤丝束或环状聚合物。GTPase活性检测显示，R68突变体的酶活性在pH 6.0时显著降低。SAXS分析进一步证实，SmFtsZ-R68A在pH 6.0时形成的聚合物尺寸明显小于野生型。
R68对FtsZ体内功能至关重要
TIRF成像显示，在pH 5.0条件下，SmFtsZ-R68A的"踏车"运动速度（7.061±3.002 nm/s）显著慢于野生型（36.95±10.57 nm/s）。荧光显微镜观察发现，酸性条件下SmFtsZ-R68A在细胞中的定位出现异常，Z环结构更为松散，厚度增加，表明其形成了更为松散的Z环结构。
R68突变削弱变形链球菌在酸性环境中的生长
在pH 5.0条件下，SmFtsZ-R68A菌株的生长速率和生物量显著降低，成熟生物膜中死菌比例升高。大鼠龋病模型显示，R68A突变显著减轻了龋损程度，Keyes评分在各病变层次（釉质E、浅层牙本质Ds、中层牙本质Dm）均明显降低。转录组分析表明，R68突变不影响已知耐酸系统基因的表达。
分子动力学模拟揭示酸性pH环境中SmFtsZ结合界面相互作用的机制
分子动力学模拟显示，pH变化通过调节酸性残基的质子化状态，影响SmFtsZ二聚体界面相互作用。在侧向二聚体界面，Arg68与Tyr247等残基间的氢键和盐桥相互作用在pH 6.0时最为稳定，结合自由能（ΔG）最低（-20.24±7.9 kcal/mol）。R68A突变显著降低了二聚体间的相互作用能，改变了蛋白链的相对取向，破坏了酸性条件下聚合组装所需的关键相互作用。
结论与讨论
本研究首次解析了变形链球菌FtsZ的晶体结构，揭示了其独特的"栅栏状"四聚体排列和侧向相互作用界面。通过综合结构生物学、生物化学和微生物学方法，证实了Arg68在维持酸性条件下FtsZ功能中的关键作用。该位点通过形成pH依赖的原子间相互作用，稳定FtsZ聚合体的组装，从而保障细菌在酸性环境中的正常分裂。
尤为重要的是，Arg68在链球菌属中高度保守，但在不同菌种间存在差异，这为开发针对变形链球菌的特异性抗菌策略提供了可能。与传统广谱抗菌药物不同，靶向Arg68的策略可能在不影响口腔微生物群平衡的前提下，特异性抑制变形链球菌在致龋环境中的生长，符合当前生态抗菌的理念。
这项研究不仅揭示了细菌细胞分裂蛋白的一种新型pH调节机制，也为开发针对口腔致病菌的精准抗菌药物提供了新的靶点思路。在龋病预防策略从"杀菌"向"生态调节"转变的当下，这类针对特定病原体关键生命过程的研究具有重要的理论和应用价值。
