Система плазмидных перегородок - Plasmid partition system

А система разделения плазмиды это механизм, обеспечивающий стабильное наследование плазмиды во время деления бактериальной клетки. Каждая плазмида имеет свою независимую систему репликации, которая контролирует количество копий плазмиды в клетке. Чем выше число копий, тем больше вероятность, что две дочерние клетки будут содержать плазмиду. Как правило, каждая молекула плазмиды диффундирует случайным образом, поэтому вероятность наличия дочерней клетки без плазмиды равна 2.1 − N, где N - количество копий. Например, если в клетке 2 копии плазмиды, существует 50% -ная вероятность иметь одну дочернюю клетку без плазмиды. Однако плазмиды с высоким числом копий имеют определенную стоимость для клетки-хозяина. Эта метаболическая нагрузка ниже для низкокопийных плазмид, но у них более высокая вероятность потери плазмиды через несколько поколений. Чтобы контролировать вертикальную передачу плазмид, в дополнение к системам контролируемой репликации, бактериальные плазмиды используют различные стратегии поддержания, такие как системы разрешения мультимеров, пост-сегрегационные системы убийств (модули зависимости), и системы перегородок.[1]

Общие свойства систем перегородок

Плазмидные копии располагаются в паре вокруг центромера -подобный сайт, а затем разделены на две дочерние клетки. Системы перегородок состоят из трех элементов, организованных в автоматически регулируемый оперон:[2]

  • Центрероподобный участок ДНК
  • Центромеры связывающие белки (CBP)
  • Моторный белок

Участок ДНК, подобный центромере, необходим в СНГ для стабильности плазмиды. Он часто содержит один или несколько инвертированных повторов, которые распознаются несколькими CBP. Это образует нуклеопротеидный комплекс, называемый комплексом разделения. Этот комплекс привлекает моторный белок, который представляет собой нуклеотидтрифосфатазу (NTPase). NTPase использует энергию связывания и гидролиза NTP, чтобы прямо или косвенно перемещать и прикреплять плазмиды к определенному месту хозяина (например, противоположным полюсам бактериальной клетки).

Системы разделов делятся на четыре типа, в основном в зависимости от типа NTPases:[3][4]

  • Тип I: АТФаза P-петли типа Walker
  • Тип II: актин-подобная АТФаза
  • Тип III: тубулиноподобная ГТФаза
  • Тип IV: нет NTPase
Название различных элементов в разных типах
ТипМоторный белок (NTPase)Центромер-связывающий белок (CBP)Центромероподобный сайт связыванияДругие белки
Тип IParAParB или ParGparS (Ia) или парк (Ib)
Тип IIParMParRпарк
Тип IIITubZTubRванныTubY

Система перегородок типа I

Эта система также используется большинством бактерий для сегрегация хромосом.[3] Системы разделов типа I состоят из АТФазы, которая содержит Мотивы Walker и CBP, который структурно отличается от типа Ia и Ib. АТФазы и CBP типа Ia длиннее, чем CBP типа Ib, но оба CBP содержат аргинин палец в их N-концевой части.[5][1][6]Белки ParA из разных плазмид и видов бактерий демонстрируют от 25 до 30% идентичности последовательности с белком ParA плазмида P1.[7]Перегородка системы типа I использует механизм «диффузионно-трещоточный». Этот механизм работает следующим образом:[8]

  1. Димеры ParA-ATP динамически связываются с нуклеоидной ДНК [9][10][11][12]
  2. ParA в своем АТФ-связанном состоянии взаимодействует с ParB, связанным с parS [13]
  3. ParB связан с parS стимулирует высвобождение ParA из области нуклеоида, окружающей плазмиду[14]
  4. Затем плазмида преследует результирующий градиент ParA по периметру обедненной ParA области нуклеоида.
  5. ParA, высвобожденный из нуклеоида за движением плазмиды, перераспределяется в другие области нуклеоида после задержки. [15]
  6. После репликации плазмиды сестринские копии разделяются на противоположные половины клетки, преследуя ParA на нуклеоиде в противоположных направлениях.

Вероятно, будут различия в деталях механизмов типа I.[6]

Перегородка типа 1 была математически смоделирована с вариациями описанного выше механизма.[16][17][18][19]

Тип Ia

CBP этого типа состоит из трех доменов:[6]

  • N-концевой домен связывания NTPase
  • Центральный домен Helix-Turn-Helix (HTH)[20]
  • С-концевой димер-домен[21]

Тип Ib

CBP этого типа, также известный как parG состоит из:[6]

  • N-концевой домен связывания NTPase
  • Рибон-Хеликс-Хеликс (RHH) домен

Для этого типа parS сайт называется парк.

Система перегородок типа II

Эта система лучше всего изучена из системы разделения плазмиды.[6]Он состоит из актин-подобной АТФАзы, ParM, и CBP, называемого ParR. Центромера подобна участку, парк содержит два набора из пяти прямых повторов из 11 пар оснований, разделенных знаком parMR Идентичность аминокислотной последовательности между ParM и другой актин-подобной АТФазой может снижаться до 15%.[7][22]

Здесь задействован механизм разделения - это толкающий механизм:[23]

  1. ParR связывается с парк и пары плазмид, которые образуют нуклеопротеидный комплекс или разделительный комплекс
  2. Разделительный комплекс служит точкой зарождения полимеризации ParM; В этот момент вставляется комплекс ParM-ATP и раздвигает плазмиды.
  3. Вставка приводит к гидролизу комплекса ParM-ATP, что приводит к деполимеризации филамента.
  4. При делении клетки копии плазмид находятся на каждом конце клетки и в конечном итоге попадут в будущую дочернюю клетку.

Нить ParM регулируется полимеризацией, допускаемой наличием разделительного комплекса (ParR-парк) и деполимеризацией, контролируемой АТФазной активностью ParM.

Система перегородок типа III

Система разделов типа III - это самая недавно обнаруженная система разделов. Он состоит из тубулиноподобной GTPase, называемой TubZ, а CBP называется TubR. Идентичность аминокислотной последовательности может снижаться до 21% для белков TubZ.[7]

Механизм похож на механизм беговой дорожки:[24]

  1. Множественный димер TubR связывается с центромероподобной областью stbDRs плазмид.
  2. Контакт между TubR и нитью из полимера TubZ для беговой дорожки. Субъединицы TubZ теряются с конца - и добавляются к концу +.
  3. Комплекс TubR-плазмида тянется вдоль растущего полимера, пока не достигнет полюса клетки.
  4. Взаимодействие с мембраной может вызвать высвобождение плазмиды.

Конечный результат - перенос перегородочного комплекса к полюсу ячейки.

Другие системы перегородок

Система перегородок R388

Система разделов плазмиды R388 была обнаружена в пределах stb оперон. Этот оперон состоит из трех генов, stbA, stbB и stbC.[25]

  • Белок StbA - это ДНК-связывающий белок (идентичный ParM ) и строго требуется для стабильности и внутриклеточного позиционирования плазмиды R388 в Кишечная палочка. StbA связывает СНГ-действующей последовательности, stbDRs.

StbA-stbDRs комплекс может быть использован для спаривания плазмиды с хромосомой хозяина с косвенным использованием бактериальной системы разделения.

  • Белок StbB имеет мотив АТФазы типа Walker, он способствует конъюгации, но не требуется для стабильности плазмиды на протяжении поколений.
  • StbC - это орфанный белок с неизвестной функцией. StbC, похоже, не участвует ни в разделении, ни в конъюгации.

StbA и StbB имеют противоположный, но связанный эффект, связанный с конъюгацией.

Эта система была предложена как система перегородок типа IV.[26] Считается, что она является производной системы разделения типа I, учитывая сходную организацию оперона. Эта система представляет собой первое свидетельство механистического взаимодействия между процессами сегрегации плазмид и процессов конъюгации.[26]

Система разделов pSK1 (см. [1])

pSK1 представляет собой плазмиду из Золотистый стафилококк. Эта плазмида имеет систему разделов, определяемую одним геном, номинал, ранее известный как orf245. Этот ген не влияет ни на количество копий плазмиды, ни на скорость роста (за исключением его участия в пост-сегрегационной системе уничтожения). Последовательность связывания, подобная центромере, присутствует перед номинал ген и состоит из семи прямых повторов и одного инвертированного повтора.

Рекомендации

  1. ^ а б c Дмовский М, Ягура-Бурдзы Г (2013). «Активные стабильные поддерживающие функции в плазмидах с низким числом копий грамположительных бактерий I. Системы разделения» (PDF). Польский журнал микробиологии / Polskie Towarzystwo Mikrobiologów = Польское общество микробиологов. 62 (1): 3–16. PMID  23829072.
  2. ^ Фридман С.А., Остин С.Дж. (1988). «Система разделения плазмиды P1 синтезирует два важных белка из саморегулируемого оперона». Плазмида. 19 (2): 103–12. Дои:10.1016 / 0147-619X (88) 90049-2. PMID  3420178.
  3. ^ а б Гердес К., Мёллер-Йенсен Дж., Багге Йенсен Р. (2000). «Разделение плазмид и хромосом: сюрпризы из филогении». Молекулярная микробиология. 37 (3): 455–66. Дои:10.1046 / j.1365-2958.2000.01975.x. PMID  10931339.
  4. ^ Буэ, Жан-Ив; Фаннелл, Барбара Э. (19.06.2019). «Локализация и разделение плазмид у Enterobacteriaceae». EcoSal Plus. 8 (2). Дои:10.1128 / ecosalplus.ESP-0003-2019. ISSN  2324-6200. PMID  31187729.
  5. ^ Ah-Seng, Y; Переулок, Д; Паста, F; Переулок, Д; Буэ, JY (2009). «Двойная роль ДНК в регулировании гидролиза АТФ с помощью белка раздела SopA». Журнал биологической химии. 70 (44): 30067–75. Дои:10.1074 / jbc.M109.044800. ЧВК  2781561. PMID  19740757.
  6. ^ а б c d е Шумахер М.А. (2012). «Аппарат разделения бактериальной плазмиды: минималистский подход к выживанию». Текущее мнение в структурной биологии. 22 (1): 72–9. Дои:10.1016 / j.sbi.2011.11.001. ЧВК  4824291. PMID  22153351.
  7. ^ а б c Чен Й, Эриксон HP (2008). «Исследования сборки FtsZ / тубулиноподобных белков (TubZ) in vitro из плазмид Bacillus: доказательства механизма кэппинга». Журнал биологической химии. 283 (13): 8102–9. Дои:10.1074 / jbc.M709163200. ЧВК  2276378. PMID  18198178.
  8. ^ Бадринараянан, Анджана; Le, Tung B.K .; Лауб, Майкл Т. (13 ноября 2015 г.). «Бактериальная хромосомная организация и сегрегация». Ежегодный обзор клеточной биологии и биологии развития. 31: 171–199. Дои:10.1146 / annurev-cellbio-100814-125211. ISSN  1530-8995. ЧВК  4706359. PMID  26566111.
  9. ^ Буэ, JY; Ah-Seng, Y; Benmeradi, N; Лейн, Д. (2007). «Полимеризация SopA-разделительной АТФазы: регуляция путем связывания ДНК и SopB». Молекулярная микробиология. 63 (2): 468–81. Дои:10.1111 / j.1365-2958.2006.05537.x. PMID  17166176.
  10. ^ Castaing, JP; Буэ, JY; Лейн, Д. (2008). «Разделение плазмиды F зависит от взаимодействия SopA с неспецифической ДНК». Молекулярная микробиология. 70 (4): 1000–11. Дои:10.1111 / j.1365-2958.2008.06465.x. PMID  18826408.
  11. ^ Хван, Лин Чин; Vecchiarelli, Anthony G .; Хан, Юн-Вун; Мидзуучи, Мичие; Харада, Йоши; Funnell, Barbara E .; Мидзуучи, Киёси (02.05.2013). «ParA-опосредованное разделение плазмиды, управляемое самоорганизацией белкового паттерна». Журнал EMBO. 32 (9): 1238–1249. Дои:10.1038 / emboj.2013.34. ISSN  1460-2075. ЧВК  3642677. PMID  23443047.
  12. ^ Vecchiarelli, Anthony G .; Хван, Лин Чин; Мидзуучи, Киёси (09.04.2013). «Бесклеточное исследование разделения плазмиды F предоставляет доказательства переноса грузов по механизму диффузии-храповика». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 110 (15): E1390–1397. Bibcode:2013ПНАС..110Е1390В. Дои:10.1073 / pnas.1302745110. ISSN  1091-6490. ЧВК  3625265. PMID  23479605.
  13. ^ Буэ, JY; Фаннелл, BE (1999). «P1 ParA взаимодействует с комплексом P1 раздела в parS, а переключатель ATP-ADP контролирует деятельность ParA». EMBO J. 18 (5): 1415–24. Дои:10.1093 / emboj / 18.5.1415. ЧВК  1171231. PMID  10064607.
  14. ^ Vecchiarelli, Anthony G .; Neuman, Keir C .; Мидзуучи, Киёси (01.04.2014). «Распространяющийся градиент АТФазы управляет транспортировкой клеточного груза, ограниченного поверхностью». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 111 (13): 4880–4885. Bibcode:2014ПНАС..111.4880В. Дои:10.1073 / pnas.1401025111. ISSN  1091-6490. ЧВК  3977271. PMID  24567408.
  15. ^ Vecchiarelli, Anthony G .; Хан, Юн-Вун; Тан, Синь; Мидзуучи, Мичио; Гирландо, Родольфо; Биртюмпфель, Кристиан; Funnell, Barbara E .; Мидзуучи, Киёси (18.08.2010). «АТФ-контроль динамических взаимодействий P1 ParA-ДНК: ключевая роль нуклеоида в разделении плазмиды». Молекулярная микробиология. 78 (1): 78–91. Дои:10.1111 / j.1365-2958.2010.07314.x. ISSN  0950-382X. ЧВК  2950902. PMID  20659294.
  16. ^ Ху, Лунхуа; Vecchiarelli, Anthony G .; Мидзуучи, Киёси; Neuman, Keir C .; Лю, Цзянь (2015-12-08). «Направленное и постоянное движение возникает из механохимии системы ParA / ParB». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 112 (51): E7055–64. Bibcode:2015PNAS..112E7055H. Дои:10.1073 / pnas.1505147112. ISSN  1091-6490. ЧВК  4697391. PMID  26647183.
  17. ^ Vecchiarelli, Anthony G .; Соль, Ёни; Neuman, Keir C .; Мидзуучи, Киёси (01.01.2014). «Движущийся градиент ParA на нуклеоиде направляет субклеточный транспорт груза с помощью силы хемофореза». Биоархитектура. 4 (4–5): 154–159. Дои:10.4161/19490992.2014.987581. ISSN  1949-100X. ЧВК  4914017. PMID  25759913.
  18. ^ Иетсваарт, Роберт; Сарденингс, Флориан; Гердес, Кенн; Ховард, Мартин (2014-12-01). «Конкурирующий ParA структурирует космические бактериальные плазмиды в равной степени по нуклеоиду». PLOS вычислительная биология. 10 (12): e1004009. Bibcode:2014PLSCB..10E4009I. Дои:10.1371 / journal.pcbi.1004009. ISSN  1553-7358. ЧВК  4270457. PMID  25521716.
  19. ^ Уолтер, JC; Дориньяк, Дж; Lorman, V; Речь, Дж; Буэ, JY; Nollmann, M; Палмери, Дж; Пармеджиани, А; Geniet, F (2017). «Серфинг на белковых волнах: протеофорез как механизм разделения бактериального генома». Письма с физическими проверками. 119 (28101): 028101. arXiv:1702.07372. Bibcode:2017PhRvL.119b8101W. Дои:10.1103 / PhysRevLett.119.028101. PMID  28753349.
  20. ^ Санчес, Аврора; Реч, Жером; Гаск, Сириэль; Буэ, Жан-Ив (март 2013). «Понимание свойств связывания центромеры белков ParB: вторичный связывающий мотив необходим для поддержания бактериального генома». Исследования нуклеиновых кислот. 41 (5): 3094–3103. Дои:10.1093 / nar / gkt018. ISSN  1362-4962. ЧВК  3597684. PMID  23345617.
  21. ^ Сёртиз, Дженнифер А .; Фаннелл, Барбара Э. (1999). «Структура домена P1 ParB включает два независимых домена мультимеризации». Журнал бактериологии. 181 (19): 5898–5908. Дои:10.1128 / jb.181.19.5898-5908.1999. ISSN  1098-5530.
  22. ^ Gunning PW, Ghoshdastider U, Whitaker S, Popp D, Robinson RC (2015). «Эволюция композиционно и функционально различных актиновых филаментов». J Cell Sci. 128 (11): 2009–19. Дои:10.1242 / jcs.165563. PMID  25788699.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  23. ^ Мёллер-Йенсен Дж., Борх Дж., Дам М., Йенсен РБ, Рёпсторфф П., Гердес К. (2003). «Бактериальный митоз: ParM плазмиды R1 перемещает плазмидную ДНК посредством актин-подобного механизма инсерционной полимеризации». Молекулярная клетка. 12 (6): 1477–87. Дои:10.1016 / S1097-2765 (03) 00451-9. PMID  14690601.
  24. ^ Ни Л., Сюй В., Кумарасвами М., Шумахер М.А. (2010). «Плазмидный белок TubR использует особый режим связывания HTH-ДНК и привлекает прокариотический гомолог тубулина TubZ для осуществления разделения ДНК». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 107 (26): 11763–8. Дои:10.1073 / pnas.1003817107. ЧВК  2900659. PMID  20534443.
  25. ^ Guynet C, Cuevas A, Moncalián G, de la Cruz F (2011). «Оперон stb уравновешивает требования к вегетативной стабильности и конъюгативному переносу плазмиды R388». PLOS Genetics. 7 (5): e1002073. Дои:10.1371 / journal.pgen.1002073. ЧВК  3098194. PMID  21625564.
  26. ^ а б Guynet C, de la Cruz F (2011). «Плазмидная сегрегация без разделения». Мобильные генетические элементы. 1 (3): 236–241. Дои:10.4161 / mge.1.3.18229. ЧВК  3271553. PMID  22312593.