FtsZ - FtsZ

Белок деления клеток FtsZ
Идентификаторы
СимволFtsZ
ИнтерПроIPR000158
CATH1fsz
SCOP21fsz / Объем / СУПФАМ
CDDcd02201
FtsZ, C-терминал сэндвич
Идентификаторы
СимволFtsZ_C
PfamPF12327
ИнтерПроIPR024757
Белок деления клеток FtsZ
PDB 1fsz EBI.jpg
Молекулярная структура FtsZ (PDB 1fsz).
Идентификаторы
Организмкишечная палочка
СимволftsZ
UniProtP0A9A6

FtsZ это белок закодировано ftsZ ген который собирается в кольцо на месте будущего бактериальный деление клеток. FtsZ - это прокариотический гомолог из эукариотический белок тубулин. Инициалы FtsZ означают "Fсветящийся ттемператураsмутант Z. "Гипотеза заключалась в том, что мутанты деления клеток Кишечная палочка будет расти как нити из-за неспособности дочерних клеток отделяться друг от друга. FtsZ содержится почти во всех бактериях, многих архях, всех хлоропластах и ​​некоторых митохондриях, где он необходим для деления клеток. FtsZ собирает цитоскелетный каркас Z-кольца, которое вместе с дополнительными белками сжимается, чтобы разделить клетку на две части.

История

В 1960-х годах ученые провели скрининг на наличие чувствительных к температуре мутаций, которые блокировали деление клеток при 42 ° C. Мутантные клетки обычно делились при 30 °, но не могли делиться при 42 °. Продолжающийся рост без деления приводил к образованию длинных нитчатых клеток (Fсветящийся ттемпература sэнзитив). Несколько таких мутантов были обнаружены и сопоставлены с локусом, первоначально названным ftsA, который может быть одним или несколькими генами. В 1980 году Люткенхаус и Доначи[1] показали, что несколько из этих мутаций сопоставлены с одним геном, ftsA, но один хорошо охарактеризованный мутант PAT84, первоначально открытый Hirota et al.,[2] сопоставлен с отдельным соседним геном. Они назвали этот ген деления клеток ftsZ. В 1991 году Би и Lutkenhaus использовали иммунно-золотую электронную микроскопию, чтобы показать, что FtsZ локализован в инвагинирующей перегородке в средней клетке.[3] Впоследствии группы Лосика и Марголина использовали иммунофлуоресцентную микроскопию.[4] и слияния GFP[5] чтобы показать, что FtsZ собирает Z кольца в начале клеточного цикла, задолго до того, как перегородка начинает сжиматься. Затем другие белки деления собираются на Z-кольцо, и сжатие происходит в последней части клеточного цикла.

В 1992–1993 годах три лаборатории независимо друг от друга обнаружили, что FtsZ был связан с эукариотическим тубулином, который представляет собой белковую субъединицу, которая собирается в микротрубочки.[6][7][8] Это было первое открытие, что бактерии имеют гомологи белков цитоскелета эукариот. Более поздние исследования показали, что FtsZ присутствует и необходим для деления клеток почти всех бактерий и многих, но не всех архей.

Митохондрии и хлоропласты представляют собой эукариотические органеллы, которые произошли от бактериальных эндосимбионтов, поэтому был большой интерес к тому, используют ли они FtsZ для деления. Хлоропласт FtsZ был впервые обнаружен Остериунгом,[9] и теперь известно, что все хлоропласты используют FtsZ для деления. Митохондриальный FtsZ был открыт Бичем[10] в водоросли; FtsZ используется для деления митохондрий у некоторых эукариот, в то время как другие заменили его механизмом на основе динамина.

Функция

Ингибирование FtsZ нарушает формирование перегородки, что приводит к филаментация бактериальных клеток (вверху справа на электронном микрофотографии).

В течение деление клеток, FtsZ - это первый белок, который переместится в сайт деления, и он важен для рекрутирования других белков, которые производят новый клеточная стенка (перегородка ) между делящимися клетками. Роль FtsZ в делении клеток аналогична роли тубулина в делении эукариотических клеток, но, в отличие от актин -миозин кольцо у эукариот, FtsZ не знает моторный белок связанные с ним. Происхождение цитокинетический сила, таким образом, остается неясной, но считается, что локальный синтез новой клеточной стенки производит по крайней мере часть этой силы.[11] В липосомах Osawa (2009) показал, что FtsZ способен проявлять сократительную силу при отсутствии других белков.[12]

Эриксон (2009) предположил, как роль тубулиноподобных белков и актиноподобных белков в делении клеток стала обратной в эволюционной загадке.[13]Использование кольца ФцЗ при разделении хлоропласты и немного митохондрии далее устанавливает их прокариотическое происхождение.[14] L-форма бактерий что не хватает клеточная стенка не требуют FtsZ для деления, что означает, что бактерии могли сохранить компоненты предкового способа деления клеток.[15]

Многое известно о динамической полимеризационной активности тубулин и микротрубочки, но мало что известно об этой деятельности в ФцЗ. Пока известно, что одноцепочечные тубулин протофиламенты образуют 13 нитей микротрубочки, многониточная структура Z-кольца, содержащего FtsZ, неизвестна. Это только предположение, что структура состоит из перекрывающихся протофиламентов. Тем не менее, недавняя работа с очищенным FtsZ на поддерживаемых липидных бислоях, а также визуализация FtsZ в живых бактериальных клетках показали, что протофиламенты FtsZ имеют полярность и движутся в одном направлении за счет беговая дорожка [16](см. также ниже).

Недавно белки, подобные тубулину и FtsZ, были обнаружены в больших плазмидах, обнаруженных в Бациллы разновидность. Считается, что они функционируют как компоненты сегросомы, которые представляют собой мультибелковые комплексы, которые разделяют хромосомы / плазмиды у бактерий. Плазмидные гомологи тубулина / FtsZ, по-видимому, сохранили способность полимеризоваться в филаменты.

Сократительное кольцо

Z-кольцо образуется из более мелких субъединиц FtsZ-филаментов. Эти нити могут тянуться друг к другу и сжиматься, чтобы разделить клетку.
Супер-разрешение изображение Z-колец (зеленые) на разных стадиях перетяжки в два Кишечная палочка клетки.

FtsZ имеет возможность связываться с GTP а также выставляет GTPase домен, который позволяет ему гидролизовать GTP до GDP и фосфатной группы. В естественных условиях, FtsZ образует филаменты с повторяющимся расположением субъединиц, все они расположены голова к хвосту.[17] Эти нити образуют кольцо вокруг продольной средней точки или перегородки клетки. Это кольцо называется Z-кольцом.

Гидролизирующая активность белка GTP не важна для образования нитей или деления клеток. Мутанты, дефектные по активности GTPase, часто все еще делятся, но иногда образуют скрученные и беспорядочные перегородки. Неясно, действительно ли FtsZ обеспечивает физическую силу, которая приводит к делению, или служит маркером для других белков, выполняющих деление.

Если FtsZ действительно обеспечивает силу, которая разделяет клетку, это может происходить за счет относительного движения субъединиц. Компьютерные модели и in vivo измерения показывают, что одиночные филаменты FtsZ не могут выдерживать длину более 30 субъединиц. В этой модели сила разрыва FtsZ возникает из-за относительного бокового движения субъединиц.[18] Линии FtsZ будут выстраиваться параллельно и натягивать друг друга, образуя «шнур» из множества струн, который сам стягивается.

В других моделях FtsZ не обеспечивает сократительную силу, но предоставляет клетке пространственный каркас для других белков, выполняющих деление клетки. Это похоже на создание строителями временного сооружения для доступа в труднодоступные места здания. Временная конструкция обеспечивает беспрепятственный доступ и гарантирует, что рабочие могут добраться до любого места. Если временное сооружение построено неправильно, рабочие не смогут добраться до определенных мест, и здание будет неполноценным.

Теория каркаса подтверждается информацией, которая показывает, что образование кольца и локализация на мембране требует согласованного действия ряда дополнительных белков. ZipA или гомолог актина FtsA разрешить начальную локализацию FtsZ на мембране.[19] После локализации на мембране белки деления семейства Fts рекрутируются для сборки кольца.[20] Многие из этих белков направляют синтез перегородки нового деления в средней клетке (FtsI, FtsW) или регулируют активность этого синтеза (FtsQ, FtsL, FtsB, FtsN). Время образования Z-кольца предполагает возможность пространственного или временного сигнала, который позволяет образование волокон FtsZ.

Недавние изображения со сверхвысоким разрешением у нескольких видов животных поддерживают динамическую модель каркаса, в которой небольшие кластеры протофиламентов FtsZ или пучков протофиламентов перемещаются в одном направлении по окружности кольца за счет беговой дорожки, прикрепленные к мембране с помощью FtsA и другие специфичные для FtsZ мембранные тросы.[21][22] Скорость беговой дорожки зависит от скорости гидролиза GTP в протофиламентах FtsZ, но в кишечная палочка, синтез перегородки деления остается этапом, ограничивающим скорость цитокинеза.[23] Беговое действие FtsZ необходимо для правильного синтеза перегородки деления с помощью ферментов синтеза пептидогликана перегородки, что позволяет предположить, что эти ферменты могут отслеживать растущие концы нитей.

Локализация перегородки и внутриклеточная передача сигналов

Формирование Z-кольца полностью совпадает с клеточными процессами, связанными с репликацией. Образование Z-кольца совпадает с прекращением репликации генома в Кишечная палочка и 70% хромосомной репликации в Б. subtilis.[24] Время образования Z-кольца предполагает возможность пространственного или временного сигнала, который позволяет образование волокон FtsZ. В кишечная палочка, по крайней мере, два негативных регулятора сборки FtsZ образуют биполярный градиент, так что критическая концентрация FtsZ, необходимая для сборки FtsZ, является самой низкой в ​​средней клетке между двумя сегрегирующими хромосомами. Этот тип регуляции, по-видимому, встречается у других видов, таких как Bacillus subtilis и Caulobacter crescentus. Однако другие виды, включая Пневмококк и Myxococcus xanthus по-видимому, используют положительные регуляторы, которые стимулируют сборку FtsZ в средней клетке.[25]

Сообщение о бедствии

Полимеризация FtsZ также связана с такими стрессорами, как Повреждение ДНК. Повреждение ДНК вызывает производство множества белков, один из которых называется SulA.[26] SulA предотвращает полимеризацию и GTPase активность FtsZ. SulA выполняет эту задачу путем привязки к самопознавающимся сайтам FtsZ. Изолируя FtsZ, клетка может напрямую связывать повреждение ДНК с ингибированием деления клетки.[27]

Предотвращение повреждения ДНК

Как и SulA, существуют другие механизмы, предотвращающие деление клеток, которое может привести к нарушению передачи генетической информации дочерним клеткам. К настоящему времени два белка были идентифицированы в Кишечная палочка и Б. subtilis которые предотвращают деление по области нуклеоида: Noc и SlmA. Noc нокауты генов приводят к клеткам, которые делятся без учета нуклеоид область, что приводит к ее асимметричному разделению между дочерними клетками. Механизм не совсем понятен, но предполагается, что он связан с секвестрацией FtsZ, предотвращающей полимеризация по области нуклеоида.[28] Механизм, используемый SlmA для ингибирования полимеризации FtsZ по нуклеоиду [29] лучше понят и использует два отдельных шага. Один домен SlmA связывается с полимером FtsZ, затем отдельный домен SlmA разделяет полимер.[30] Похожий механизм, как полагают, использует MinC, другой ингибитор полимеризации FtsZ, участвующий в позиционировании кольца FtsZ.[31]

Клиническое значение

Количество штаммов бактерий с множественной лекарственной устойчивостью в настоящее время увеличивается; Таким образом, срочно необходимо определение целевых показателей для разработки новых противомикробных препаратов. Потенциальная роль FtsZ в блокировании деления клеток вместе с его высокой степенью сохранение среди видов бактерий, делает FtsZ очень привлекательной мишенью для разработки новых антибиотиков.[32] Исследователи работают над синтетическими молекулами и натуральными продуктами в качестве ингибиторов FtsZ.[33]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Lutkenhaus JF, Wolf-Watz H, Donachie WD (май 1980 г.). «Организация генов в области ftsA-envA генетической карты Escherichia coli и идентификация нового локуса fts (ftsZ)» (PDF). Журнал бактериологии. 142 (2): 615–20. Дои:10.1128 / JB.142.2.615-620.1980. OCLC  678550294. ЧВК  294035. PMID  6991482.
  2. ^ Хирота Ю., Райтер А., Джейкоб Ф. (1968-01-01). «Термочувствительные мутанты E. coli затронуты процессами синтеза ДНК и деления клеток». Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии. 33: 677–93. Дои:10.1101 / sqb.1968.033.01.077. PMID  4892005.
  3. ^ Би EF, Lutkenhaus J (ноябрь 1991 г.). «Кольцевая структура FtsZ, связанная с делением у Escherichia coli». Природа. 354 (6349): 161–4. Дои:10.1038 / 354161a0. PMID  1944597.
  4. ^ Левин П.А., Лосик Р. (февраль 1996 г.). «Фактор транскрипции Spo0A переключает локализацию белка деления клетки FtsZ с медиального на биполярный паттерн в Bacillus subtilis». Гены и развитие. 10 (4): 478–88. Дои:10.1101 / gad.10.4.478. PMID  8600030.
  5. ^ Ма X, Эрхардт Д.В., Марголин В. (ноябрь 1996 г.). «Совместная локализация белков деления клеток FtsZ и FtsA в структурах цитоскелета в живых клетках Escherichia coli с использованием зеленого флуоресцентного белка». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 93 (23): 12998–3003. Дои:10.1073 / пнас.93.23.12998. ЧВК  24035. PMID  8917533.
  6. ^ Рэй Чаудхури Д., Парк Джей Ти (сентябрь 1992 г.). «Ген ftsZ деления клеток Escherichia coli кодирует новый GTP-связывающий белок». Природа. 359 (6392): 251–4. Дои:10.1038 / 359251a0. PMID  1528267.
  7. ^ де Бур П., Кроссли Р., Ротфилд Л. (сентябрь 1992 г.). «Важнейшим белком деления бактериальных клеток FtsZ является GTPase». Природа. 359 (6392): 254–6. Дои:10.1038 / 359254a0. PMID  1528268.
  8. ^ Мукерджи А., Дай К., Люткенхаус Дж. (Февраль 1993 г.). «Белок деления клеток Escherichia coli FtsZ представляет собой белок, связывающий гуанин-нуклеотид». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 90 (3): 1053–7. Дои:10.1073 / пнас.90.3.1053. ЧВК  45809. PMID  8430073.
  9. ^ Osteryoung KW, Vierling E (август 1995 г.). «Консервативное деление клеток и органелл». Природа. 376 (6540): 473–4. Дои:10.1038 / 376473b0. PMID  7637778.
  10. ^ Бук П.Л., Нхеу Т., Шульц Т., Герберт С., Литгоу Т., Гилсон П.Р., Макфадден Г.И. (февраль 2000 г.). «Митохондриальные ФцЗ в водоросли хромофитах». Наука. 287 (5456): 1276–9. Дои:10.1126 / science.287.5456.1276. PMID  10678836. S2CID  26587576.
  11. ^ Coltharp C, Buss J, Plumer TM, Xiao J (февраль 2016 г.). «Определение лимитирующих процессов бактериального цитокинеза». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 113 (8): E1044-53. Дои:10.1073 / pnas.1514296113. ЧВК  4776500. PMID  26831086.
  12. ^ Осава М., Андерсон Д.Е., Эриксон Х.П. (май 2008 г.). «Восстановление сократительных колец FtsZ в липосомах». Наука. 320 (5877): 792–4. Дои:10.1126 / science.1154520. ЧВК  2645864. PMID  18420899.
  13. ^ Эриксон HP (июль 2007 г.). «Эволюция цитоскелета». BioEssays. 29 (7): 668–77. Дои:10.1002 / bies.20601. ЧВК  2630885. PMID  17563102.
  14. ^ Leger MM, Petr M, árský V, Eme L, Vlček Č, Harding T, et al. (Август 2015 г.). «Система деления предковых бактерий широко распространена в митохондриях эукариот». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 112 (33): 10239–46. Дои:10.1073 / pnas.1421392112. ЧВК  4547283. PMID  25831547.
  15. ^ Ливер М., Домингес-Куэвас П., Коксхед Дж. М., Дэниел Р. А., Эррингтон Дж. (Февраль 2009 г.). «Жизнь без стены или машины деления в Bacillus subtilis». Природа. 457 (7231): 849–53. Дои:10.1038 / природа07742. PMID  19212404.
  16. ^ Свободный М., Митчисон Т.Дж. (январь 2014 г.). «Белки деления бактериальных клеток FtsA и FtsZ самоорганизуются в динамические паттерны цитоскелета». Природа клеточной биологии. 16 (1): 38–46. Дои:10.1038 / ncb2885. ЧВК  4019675. PMID  24316672.
  17. ^ Десаи А., Митчисон Т.Дж. (1997). «Динамика полимеризации микротрубочек». Ежегодный обзор клеточной биологии и биологии развития. 13: 83–117. Дои:10.1146 / annurev.cellbio.13.1.83. PMID  9442869.
  18. ^ Lan G, Daniels BR, Dobrowsky TM, Wirtz D, Sun SX (январь 2009 г.). «Конденсация филаментов FtsZ может приводить к делению бактериальных клеток». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 106 (1): 121–6. Дои:10.1073 / pnas.0807963106. ЧВК  2629247. PMID  19116281.
  19. ^ Пичофф С., Люткенхаус Дж. (Март 2005 г.). «Привязка кольца Z к мембране через консервативную мембранную нацеленную последовательность в FtsA». Молекулярная микробиология. 55 (6): 1722–34. Дои:10.1111 / j.1365-2958.2005.04522.x. PMID  15752196.
  20. ^ Буддельмейер Н., Беквит Дж. (Декабрь 2002 г.). «Сборка белков клеточного деления в клеточном центре E. coli». Текущее мнение в микробиологии. 5 (6): 553–7. Дои:10.1016 / S1369-5274 (02) 00374-0. PMID  12457697.
  21. ^ Ян X, Лю З., Мигель А., Маккуиллен Р., Хуан К.С., Сяо Дж. (Февраль 2017 г.). «Беговая дорожка бактериального тубулина, связанная с активностью GTPase, FtsZ организует синтез клеточной стенки перегородки». Наука. 355 (6326): 744–747. Дои:10.1126 / science.aak9995. ЧВК  5851775. PMID  28209899.
  22. ^ Bisson-Filho AW, Hsu YP, Squyres GR, Kuru E, Wu F, Jukes C и др. (Февраль 2017). «Беговая дорожка нитями FtsZ стимулирует синтез пептидогликана и деление бактериальных клеток». Наука. 355 (6326): 739–743. Дои:10.1126 / science.aak9973. ЧВК  5485650. PMID  28209898.
  23. ^ Coltharp C, Buss J, Plumer TM, Xiao J (февраль 2016 г.). «Определение лимитирующих процессов бактериального цитокинеза». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 113 (8): E1044-53. Дои:10.1073 / pnas.1514296113. ЧВК  4776500. PMID  26831086.
  24. ^ Гарри EJ (январь 2001 г.). «Согласование репликации ДНК с делением клеток: уроки разрастания спор». Биохимия. 83 (1): 75–81. Дои:10.1016 / S0300-9084 (00) 01220-7. PMID  11254978.
  25. ^ Роулетт Ф.В., Марголин В. (2015). «Система Min и другие нуклеоид-независимые регуляторы позиционирования Z-кольца». Границы микробиологии. 6: 478. Дои:10.3389 / fmicb.2015.00478. ЧВК  4429545. PMID  26029202.
  26. ^ Он А.С., Рохатги П.Р., Херш М.Н., Розенберг С.М. (февраль 2006 г.). «Роль белков восстановления двухцепочечных разрывов E. coli в стресс-индуцированной мутации». Ремонт ДНК. 5 (2): 258–73. Дои:10.1016 / j.dnarep.2005.10.006. ЧВК  3685484. PMID  16310415.
  27. ^ Мукерджи А., Люткенхаус Дж. (Январь 1998 г.). «Динамическая сборка ФцЗ, регулируемая гидролизом ГТФ». Журнал EMBO. 17 (2): 462–9. Дои:10.1093 / emboj / 17.2.462. ЧВК  1170397. PMID  9430638.
  28. ^ Ву Л.Дж., Эррингтон Дж. (Июнь 2004 г.). «Координация деления клеток и сегрегации хромосом с помощью белка окклюзии нуклеоидов в Bacillus subtilis». Клетка. 117 (7): 915–25. Дои:10.1016 / j.cell.2004.06.002. PMID  15210112.
  29. ^ Бернхардт Т.Г., де Бур PA (май 2005 г.). «SlmA, связанный с нуклеоидом, связывающий FtsZ белок, необходимый для блокирования сборки септального кольца над хромосомами в E. coli». Молекулярная клетка. 18 (5): 555–64. Дои:10.1016 / j.molcel.2005.04.012. ЧВК  4428309. PMID  15916962.
  30. ^ Du S, Lutkenhaus J (июль 2014 г.). «В антагонизме SlmA и FtsZ используется двоякий механизм, такой как MinCD». PLOS Genetics. 10 (7): e1004460. Дои:10.1371 / journal.pgen.1004460. ЧВК  4117426. PMID  25078077.
  31. ^ Шен Б., Люткенхаус Дж. (Март 2010 г.). «Изучение взаимодействия между FtsZ и MinCN в E. coli предполагает, как MinC разрушает Z-кольца». Молекулярная микробиология. 75 (5): 1285–98. Дои:10.1111 / j.1365-2958.2010.07055.x. PMID  20132438.
  32. ^ Казираги А., Суйго Л., Валоти Е., Страньеро В. (февраль 2020 г.). "Ориентация на деление бактериальных клеток: сайт-ориентированный подход связывания к наиболее многообещающим ингибиторам незаменимого белка FtsZ". Антибиотики. 9 (2): 69. Дои:10.3390 / антибиотики9020069. ЧВК  7167804. PMID  32046082.
  33. ^ Рахман М., Ван П., Ван Н., Чен И. (февраль 2020 г.). «Ключевой белок деления бактериальных клеток FtsZ как новая мишень для антибактериального препарата». Боснийский журнал фундаментальных медицинских наук. Дои:10.17305 / bjbms.2020.4597. PMID  32020845.