烟草FtsZ基因的表达特征分析及其对质体发生的影响

FtsZ (filamentation temperature-sensitive，fts)是广泛存在于原核生物和高等植物中的一种功能蛋白。它控制着原核细胞和质体的分裂过程。研究该基因的表达调控特征，为我们进一步认识原核细胞和质体分裂的分子机制及真核细胞的起源和进化等重要问题提供了新的思路。从烟草克隆FtsZ cDNA，构建了谷胱甘肽转移酶（GST, glutathione S-transferase，EC 2.5.1.18）与FtsZ融合蛋白的表达质粒，并将其导入到在异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)诱导下能高效表达的JM109大肠杆菌中。高表达的融合蛋白通过谷胱甘肽一琼脂糖(glutathione-agarose)亲和层析和SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳纯化后，用以免疫兔子制备抗血清。免疫印迹法表明烟草FtsZ基因表达具有明显的组织器官特征，在质体（叶绿体）分裂活跃部位表达强：幼嫩花瓣>幼叶>幼根>老叶>茎。黑暗处理l天对FtsZ表达似乎无影响，随黑暗培养时间延长，FtsZ蛋白表达逐渐降低，叶绿体转化成为数目众多（增加2-3倍）体积小的淡黄色或白色质体。该实验结果显示，光对植物FtsZ基因表达很可能无直接影响，FtsZ基因表达强弱是决定质体（叶绿体）分裂和细胞中质体（叶绿体）数目多少的主要原因之一。

烟草和衣藻中ftsZ 基因的克隆及功能分析

作为一种广泛存在于原核细胞中的原始的细胞骨架蛋白，FtsZ在植物中的发现为我们研究植物细胞中质体的分裂机制提供了可能。已有的研究证明了FtsZ与质体的分裂和形态维持有关，但高等植物中FtsZ在质体分裂和形态维持中的作用机制仍不十分清楚，同时高等植物中多个ftsZ成员的存在也使得对FtsZ功能的研究更加复杂。我们从烟草中克隆了两个ftsZ基因，序列和谱系分析表明二者均属于高等植物中的FtsZl基因家族，这也是首次在高等植物中发现多个FtsZl家族的成员。杂交分析表明ftsZ在烟草基因组中是以多拷贝形式存在，并且这两个基因具有相似的表达谱，这些结果暗示着高等植物中FtsZ在质体分裂中的作用更为复杂。GFP标记的原核定位表明二者具有与原核FtsZ类似的功能。此外，利用反义和正义表达的方法研究了二者在烟草质体分裂和形态维持中的作用。反义转化并未对烟草细胞叶绿体的数目和形态造成明显的影响，相反，二者的正义表达均导致细胞中叶绿体数目和形态上的明显变化，这一结果预示着二者在控制质体分裂和形态方面可能具有不同的功能。同时，这些结果也为高等植物中多样化的FtsZ可能具有除质体分裂之外的功能，如质体骨架．提供了证据。 　利用简并引物PCR和RACE从衣藻中扩增得到了一个ftsZ基因的部分cDNA序列，命名为CrFtsZ。序列分析表明该基因编码的蛋白具有FtsZ的典型特点，但同时还有一个与目前已知FtsZ均不同的突出c-末端：分子谱系分析认为CrFtsZ与线粒体进化祖先a -proteobacteria中的FtsZ有着共同起源，因此CrFtsZ可能是一个控制线粒体分裂的FtsZ。此外，CrFtsZ的c-端突出序列还具有目前已知真核生物线粒体分裂相关蛋白dynamin的某些特征，考虑到FtsZ在原核细胞分裂和真核细胞器分裂中的作用，我们推测CrFtsZ可能是FtsZ向dynamin过度的一种中间进化形式。这一发现为线粒体分裂机制的起源和进化提供了新的分子证据，对于认识真核线粒体分裂机制的起源与演化具有重要意义。

Regulation by hetC of genes required for heterocyst differentiation and cell division in Anabaena sp strain PCC 7120

Unlike those of the wild-type strain, proheterocysts of the Anabaena sp. strain PCC 7120 hetC strain keep dividing. ftsZ, the most critical cell division gene, is up-regulated in hetC proheterocysts. Heterocyst differentiation genes hglD, hglE, patB, nijB, and xisA are no longer expressed in the hetC mutant. hetC also regulates the expression of patA, a pattern formation gene.

alr0117, a two-component histidine kinase gene, is involved in heterocyst development in Anabaena sp PCC 7120

Anabaena sp. PCC; 7120 was mutagenized by transposon Tn5-1087b, generating a mutant whose heterocysts lack the envelope polysaccharide layer. The transposon was located between nucleotides 342 and 343 of alr0117, a 918 bp gene encoding a histidine kinase for a two-component regulatory system. Complementation of the mutant with a DNA fragment containing alr0117 and targeted inactivation of the gene confirmed that alr0117 is involved in heterocyst development. RT-PCR showed that alr0117 was constitutively expressed in the presence or absence of a combined-nitrogen source. hepA and patB, the two genes turned on during wild-type heterocyst development, were no longer activated in an alr0117-null mutant. The two-component signal transduction system involving alr0117 may control the formation of the envelope polysaccharide layer and certain late events essential to the function of heterocysts.