FtsZ генімен кодталатын ақуыз және бактериялардың бөлінуі

Кіріспе

FtsZ генімен кодталатын ақуыз.

FtsZ – бактерия жасушаларының бөліну болатын жерінде сақина құрайтын (Z сақинасы деп те аталады) ftsZ генімен кодталатын ақуыз. FtsZ – эукариоттық тубулин ақуызының прокариоттық аналогы. FtsZ әріптері "Жіптеле түсетін, температураға сезімтал Z мутанты" дегенді білдіреді. Алғашқы гипотеза бойынша, E. coli жасуша бөліну мутанттары қыз жасушалары бір-бірінен бөліне алмайтындықтан жіп сияқты өседі деп есептелді. FtsZ дерлік барлық бактерияларда, көптеген археяларда, барлық хлоропластарда және кейбір митохондрияларда кездеседі, онда ол жасушаның бөлінуі үшін маңызды. FtsZ Z сақинасының цитоскелеттік қаңқасын құрастырады, ол қосымша ақуыздармен бірге жасушаны екіге бөлуге қатысады.

Тарих

1960 жылдары ғалымдар 42 °C температурада жасуша бөлінуін тоқтатып, температураға сезімтал мутацияларды іздеді. Мутант жасушалар 30°C-та қалыпты бөлініп, бірақ 42°C-та бөлінбейді. Бөлінусіз үздіксіз өсу ұзын жіп тәрізді жасушаларды (жіп тәрізді температураға сезімтал жасушалар) құрады. Мұндай бірнеше мутанттар табылып, бастапқыда ftsA деп аталған локусқа картаға түсірілді, ол бір немесе бірнеше ген болуы мүмкін. 1980 жылы Люткенхаус және Доначи осы мутациялардың бірнешеуінің бір генге, ftsA-ға, ал жақсы сипатталған мутант PAT84, алғаш Хирота және авторлар тобы тапқан, бөлек, жақын орналасқан генге картаға түсірілгенін көрсетті. Олар осы жасуша бөліну генін ftsZ деп атады. 1991 жылы Би және Люткенхаус иммуноалтын электронды микроскопияны қолданып, FtsZ-нің жасушаның ортасындағы инвагинацияланатын септумға локализацияланғанын көрсетті. Кейін Лосик және Марголин топтары иммунофлуоресценциялық микроскопия және GFP қосылыстарын пайдаланып, FtsZ-нің Z сақиналарын жасуша циклының басында, септумның тарылуы басталар алдында құрастыратынын көрсетті. Басқа бөліну ақуыздары кейін Z сақинасына жиналады және жасуша циклының соңғы бөлігінде тарылу жүреді. 1992 жылы үш тәуелсіз зертхана FtsZ-нің эукариоттық тубулинмен байланысты екенін анықтады, ол микротубула құрайтын ақуыздың кіші бірлігі. Бұл бактерияларда эукариоттық цитоскелет ақуыздарының гомологтары бар екенін көрсететін алғашқы жаңалық болды. Кейінгі зерттеулер FtsZ-нің дерлік барлық бактерияларда және көптеген, бірақ барлық археяларда жасуша бөлінуі үшін қажет екенін көрсетті. Митохондриялар мен хлоропластар – бактериялық эндосимбионттардан пайда болған эукариоттық органеллалар, сондықтан олардың бөліну үшін FtsZ-ді пайдаланатынына үлкен қызығушылық болды. Хлоропласт FtsZ алғаш Остерианг тапқан, қазір барлық хлоропластар бөліну үшін FtsZ-ді пайдаланатыны белгілі. Митохондриялық FtsZ-ді Бич бір түрлі балдырдан тапқан; FtsZ кейбір эукариоттарда митохондриялық бөліну үшін қолданылады, ал басқалары оны динаминге негізделген жүйемен алмастырды. 2014 жылы ғалымдар археяларда екі FtsZ гомологын анықтады – FtsZ1 және FtsZ2.

In the 1960s scientists screened for temperature sensitive mutations that blocked cell division at 42 °C. The mutant cells divided normally at 30°, but failed to divide at 42°. Continued growth without division produced long filamentous cells (Filamenting temperature sensitive). Several such mutants were discovered and mapped to a locus originally named ftsA, which could be one or more genes. In 1980 Lutkenhaus and Donachie showed that several of these mutations mapped to one gene, ftsA, but one well characterized mutant, PAT84, originally discovered by Hirota et al, mapped to a separate, adjacent gene. They named this cell division gene ftsZ. In 1991 Bi and Lutkenhaus used immunogold electron microscopy to show that FtsZ localized to the invaginating septum at midcell. Subsequently, the Losick and Margolin groups used immuno fluorescence microscopy and GFP fusions to show that FtsZ assembled Z rings early in the cell cycle, well before the septum began to constrict. Other division proteins then assemble onto the Z ring and constriction occurs in the last part of the cell cycle. In 1992 3 three labs independently discovered that FtsZ was related to eukaryotic tubulin, which is the protein subunit that assembles into microtubules. This was the first discovery that bacteria have homologs of eukaryotic cytoskeletal proteins. Later work showed that FtsZ was present in, and essential for, cell division in almost all bacteria and in many but not all archaea. Mitochondria and chloroplasts are eukaryotic organelles that originated as bacterial endosymbionts, so there was much interest in whether they use FtsZ for division. Chloroplast FtsZ was first discovered by Osteryoung, and it is now known that all chloroplasts use FtsZ for division. Mitochondrial FtsZ was discovered by Beech in an alga; FtsZ is used for mitochondrial division in some eukaryotes, while others have replaced it with a dynamin based machinery. In 2014, scientists identified two FtsZ homologs in archaea, FtsZ1 and FtsZ2.

Функция

Жасуша бөліну кезінде FtsZ – бөліну орнына ең бірінші келетін ақуыз, ол жаңа жасуша қабырғасын (септум) құрастыратын басқа ақуыздарды тартуға қажетті. FtsZ-дің жасуша бөлінудегі рөлі эукариоттық жасуша бөлінуіндегі актин рөлімен салыстыруға болады, бірақ эукариоттардағы актин-миозин сақинасынан өзгеше, FtsZ-ге байланысты ешқандай моторлық ақуыз белгілі емес. Жасуша қабырғасының синтезі сырттан жасуша мембранасын итеру арқылы цитокинез үшін күш түндіруі мүмкін. Бұны растайтын дерек ретінде, *E. coli* бактериясында жасуша қабырғасы синтезіндегі мутациялар бөліну жылдамдығына әсер етеді. Сонымен қатар, Osawa (2009) көрсеткендей, FtsZ басқа ақуыздарсыз липосомаларда созылу күшін танытады, бұл оның мембрананы іштен тартуға қабілетті екенін көрсетеді. Erickson (2009) жасуша бөлінуде тубулинге ұқсас және актинге ұқсас ақуыздардың рөлі эволюциялық тұрғыдан неліктен өзгергенін түсіндіруге тырысты. Бөлінетін хлоропласттар мен кейбір митохондрияларда FtsZ сақинасын қолдану олардың прокариоттық тегін одан әрі дәлелдейді. Жасуша қабырғасы жоқ L-формалы бактерияларға бөліну үшін FtsZ қажет емес, бұл бактериялар жасуша бөлінуінің алғашқы механизмінің элементтерін сақтап қалған болуы мүмкін. Тубулин мен микротубулалардың динамикалық полимерленуі жақсы зерттелген, бірақ FtsZ-дегі осы процестер туралы мәлімет аз. Тубулиннің бір жіпті протофиламенттері 13 жіпті микротубулаларды құрайтыны белгілі, бірақ Z сақинасындағы FtsZ-дің көп жіпті құрылымы әлі анықталған жоқ. Құрылымның бір-біріне үстіне жатқан протофиламенттерден тұратыны туралы болжам бар. Дегенмен, тазартылған FtsZ-ді екі қабатты липидтерде зерттеу және тірі бактериялық жасушаларда FtsZ-ді бейнелеу FtsZ протофиламенттерінің полярлығын және белгілі бір бағытта жылжуын көрсетті (төменде қараңыз). Соңғы кезде Bacillus түрлеріндегі ірі плазмидтерде тубулин мен FtsZ-ге ұқсас ақуыздар табылды. Олар бактериялардағы хромосомалар мен плазмидтерді бөліп шығаратын көп ақуызды кешен – сегросомалардың құрамдас бөліктері ретінде жұмыс істейді деп саналады. Тубулин/FtsZ плазмидтік гомологтары талшықтарға полимерлену қабілетін сақтап қалған сияқты.

During cell division, FtsZ is the first protein to move to the division site, and is essential for recruiting other proteins that produce a new cell wall (septum) between the dividing cells. FtsZ's role in cell division is analogous to that of actin in eukaryotic cell division, but, unlike the actin myosin ring in eukaryotes, FtsZ has no known motor protein associated with it. Cell wall synthesis may externally push the cell membrane, providing the force for cytokinesis. Supporting this, in E. coli the rate of division is affected by mutations in cell wall synthesis. Alternatively, FtsZ may pull the membrane from the inside based on Osawa (2009) showing the protein's contractile force on liposomes with no other proteins present. Erickson (2009) proposed how the roles of tubulin like proteins and actin like proteins in cell division became reversed in an evolutionary mystery. The use of the FtsZ ring in dividing chloroplasts and some mitochondria further establishes their prokaryotic ancestry. L form bacteria that lack a cell wall do not require FtsZ for division, which implies that bacteria may have retained components of an ancestral mode of cell division. Much is known about the dynamic polymerization activities of tubulin and microtubules, but little is known about these activities in FtsZ. While it is known that single stranded tubulin protofilaments form into 13 stranded microtubules, the multistranded structure of the FtsZ containing Z ring is not known. It is only speculated that the structure consists of overlapping protofilaments. Nevertheless, recent work with purified FtsZ on supported lipid bilayers as well as imaging FtsZ in living bacterial cells revealed that FtsZ protofilaments have polarity and move in one direction by treadmilling (see also below). Recently, proteins similar to tubulin and FtsZ have been discovered in large plasmids found in Bacillus species. They are believed to function as components of segrosomes, which are multiprotein complexes that partition chromosomes/plasmids in bacteria. The plasmid homologs of tubulin/FtsZ seem to have conserved the ability to polymerize into filaments.

Қысылмалы сақина ("Z сақина")

FtsZ GTP-ге байланысу қабілетіне ие және сонымен қатар GTP-ні ГДП-ға және фосфат тобына гидролиздеуге мүмкіндік беретін GTPаза доменін көрсетеді. In vivo, FtsZ барлық бөліктерімен басынан құйрығына дейін орналастырылған, қайталанатын бөліктерден тұратын жіпшелерді құрайды. Бұл жіпшелер жасушаның бойлық орта тұсы немесе септумының айналасында сақина құрайды. Бұл сақина Z сақинасы деп аталады. Ақуыздың GTP гидролиздеу белсенділігі жіпшелердің түзілуіне немесе жасушаның бөлінуіне міндетті емес. GTPаза белсенділігі бұзылған мутанттар көбінесе бөліне береді, бірақ кейде бұрылып, ретсіз септумдар түзеді. FtsZ бөлінуге себеп болатын физикалық күшті қамтамасыз ете ме әлде бөлінуді жүзеге асыру үшін басқа ақуыздарға тірек ретінде қызмет ете ме, әлі белгісіз. FtsZ-дің ықшамдалу күшін қалай тудыратынына қатысты екі модель бар. Бір модель FtsZ протофиламенттерінің түзу немесе қисық болуы мүмкін деген байқауға негізделген. Түзуден қисыққа өту мембранаға иілу күшін тудырады деп саналады. Екінші модель жылғақ протофиламенттерге негізделген. Компьютерлік модельдер мен in vivo өлшеулер FtsZ-дің бір жіпшесі 30-дан астам суббірлікке жете алмайтынын көрсетеді. Бұл модельде FtsZ-дің бөліну күші суббірліктердің салыстырмалы бүйірлік қозғалысынан туындайды. FtsZ жіпшелері бір-біріне параллель орналасып, бір-бірін тартып, көптеген жіптерден тұратын "арқан" құрайды. Басқа модельдерде FtsZ жиырылу күшін қамтамасыз етпейді, бірақ жасушаға бөлінуді жүзеге асыру үшін басқа ақуыздарға кеңістіктік тірек береді. Бұл құрылысшылардың ғимараттың жеткісіз жерлеріне кіру үшін уақытша құрылым салуына ұқсас. Уақытша құрылым жұмысшыларға барлық жерге кедергісіз кіруге мүмкіндік береді және олардың барлық жерге жете алатынына кепілдік береді. Егер уақытша құрылым дұрыс салынбаса, жұмысшылар белгілі бір жерлерге жете алмайды және ғимаратта кемшіліктер болады. Тірек теориясы сақинаның түзілуі мен мембранаға орналасуы бірнеше қосымша ақуыздардың бірлескен әрекетін қажет ететінін көрсететін мәліметтермен расталады. ZipA немесе актин гомологы FtsA бастапқы FtsZ-дің мембранаға орналасуына мүмкіндік береді. Мембранаға орналасқаннан кейін Fts отбасының бөліну ақуыздары сақина құрастыруға тартылады. Бұл ақуыздардың көпшілігі жаңа бөліну септумының синтезін жасушаның ортасында (FtsI, FtsW) басқарады немесе осы синтездің белсенділігін реттейді (FtsQ, FtsL, FtsB, FtsN). Z сақинасының түзілу уақыты FtsZ жіпшелерінің түзілуіне мүмкіндік беретін кеңістіктік немесе уақытша сигнал болуы мүмкін екенін көрсетеді. Бірнеше түрлердегі жақындағы супер-резолюциялық бейнелеу динамикалық тірек моделін қолдайды, онда FtsZ протофиламенттерінің немесе протофиламент шоғырларының кішкентай топтары FtsA және басқа FtsZ-ге тән мембраналық байланыстармен мембранаға бекітілген, жүзу жолағы арқылы сақинаның айналасында бір бағытта қозғалады. Жүзу жолағының жылдамдығы FtsZ протофиламенттеріндегі GTP гидролизінің жылдамдығына байланысты, бірақ Escherichia coli-де бөліну септумының синтезі цитокинездің шектеуші қадамы болып қалады. FtsZ-дің жүзу әрекеті септум пептидогликанының синтез ферменттері арқылы бөліну септумының дұрыс синтезі үшін қажет, бұл ферменттер жіпшелердің өсуін қадағалай алады деп болжайды.

FtsZ has the ability to bind to GTP and also exhibits a GTPase domain that allows it to hydrolyze GTP to GDP and a phosphate group. In vivo, FtsZ forms filaments with a repeating arrangement of subunits, all arranged head to tail. These filaments form a ring around the longitudinal midpoint, or septum, of the cell. This ring is called the Z ring. The GTP hydrolyzing activity of the protein is not essential to the formation of filaments or cell division. Mutants defective in GTPase activity often still divide, but sometimes form twisted and disordered septa. It is unclear as to whether FtsZ actually provides the physical force that results in division or serves as a scaffold for other proteins to execute division. There are two models for how FtsZ might generate a constriction force. One model is based on the observation that FtsZ protfilaments can be straight or curved. The transition from straight to curved is suggested to generate a bending force on the membrane. Another model is based on sliding protofilaments. Computer models and in vivo measurements suggest that single FtsZ filaments cannot sustain a length more than 30 subunits long. In this model, FtsZ scission force comes from the relative lateral movement of subunits. Lines of FtsZ would line up together parallel and pull on each other creating a "cord" of many strings that tightens itself. In other models, FtsZ does not provide the contractile force but provides the cell a spatial scaffold for other proteins to execute the division of the cell. This is akin to the creating of a temporary structure by construction workers to access hard to reach places of a building. The temporary structure allows unfettered access and ensures that the workers can reach all places. If the temporary structure is not correctly built, the workers will not be able to reach certain places, and the building will be deficient. The scaffold theory is supported by information that shows that the formation of the ring and localization to the membrane requires the concerted action of a number of accessory proteins. ZipA or the actin homologue FtsA permit initial FtsZ localization to the membrane. Following localization to the membrane, division proteins of the Fts family are recruited for ring assembly. Many of these proteins direct the synthesis of the new division septum at midcell (FtsI, FtsW), or regulate the activity of this synthesis (FtsQ, FtsL, FtsB, FtsN). The timing of Z ring formation suggests the possibility of a spatial or temporal signal that permits the formation of FtsZ filaments. Recent super resolution imaging in several species supports a dynamic scaffold model, in which small clusters of FtsZ protofilaments or protofilament bundles move unidirectionally around the ring's circumference by treadmilling, anchored to the membrane by FtsA and other FtsZ specific membrane tethers. The speed of treadmilling depends on the rate of GTP hydrolysis within the FtsZ protofilaments, but in Escherichia coli, synthesis of the division septum remains the rate limiting step for cytokinesis. The treadmilling action of FtsZ is required for proper synthesis of the division septum by septal peptidoglycan synthesis enzymes, suggesting that these enzymes can track the growing ends of the filaments.

Септалық локализация және жасушааралық сигнализация

Z сақинасының қалыптасуы репликациямен байланысты клеткалық процестермен тікелей сәйкес келеді. Z сақинасының қалыптасуы E. coli-де геном репликациясының аяқталуымен және B. subtilis-де хромосомалық репликацияның 70%-ының аяқталуымен бірдей уақытта жүзеге асады. Z сақинасының қалыптасу уақыты FtsZ жіпшелерінің қалыптасуына жағдай жасайтын кеңістіктік немесе уақытша сигналдың болу мүмкіндігін көрсетеді. Escherichia coli-де FtsZ жиналуының кем дегенде екі теріс реттегіші биполярлы градиент құрайды, сондықтан FtsZ жиналуы үшін қажетті белсенді FtsZ концентрациясы екі бөлінетін хромосомалардың арасындағы жасушаның ортасында ең жоғары, ал полюстерде және хромосомалардың үстінде ең төмен болады. Мұндай реттеу Bacillus subtilis және Caulobacter crescentus сияқты басқа түрлерде де кездеседі. Дегенмен, Streptococcus pneumoniae және Myxococcus xanthus сияқты басқа түрлер FtsZ жиналуын стимуляциялайтын оң реттегіштерді пайдалануға көрінеді.

Қауіп туралы хабарлау

FtsZ полимерленуі ДНК зақымдануы сияқты стресс факторларымен де байланысты. ДНҚ зақымдануы түрлі белоктардың өндірілуін шақырады, соның бірі СулА деп аталады. СулА FtsZ-дің полимерленуі мен ГТФ-аза белсенділігін тоқтатады. СулА бұл жұмысты өзін-өзі танитын FtsZ орындарына байланысу арқылы атқарады. FtsZ-ді тұрақтап, жасуша ДНК зақымдануын тікелей жасуша бөлінуін тежеумен байланыстыра алады.

ДНҚ зақымдануын болдырмау

SulA сияқты, жаңадан пайда болған жасушаларға бұзылған генетикалық ақпарат жіберуіне алып келетін жасуша бөлінуін тоқтатуға қабілетті басқа да механизмдер бар. Қазірге дейін E. coli және B. subtilis бактерияларында нуклеоид аймағында бөлінуге кедергі келтіретін екі ақуыз анықталды: Noc және SlmA. Noc генін жою нәтижесінде жасушалар нуклеоид аймағына қарамастан бөлінеді, соның салдарынан генетикалық материал қыз жасушалар арасында тең емес бөлінеді. Механизмі толыққанды түсініксіз, бірақ FtsZ-ді байланыстырып ұстау арқылы, нуклеоид аймағында полимерленуіне кедергі келтіреді деп есептеледі. SlmA-ның нуклеоидтегі FtsZ полимерленуін тежеу механизмі жақсы зерттелген және екі қадамнан тұрады. SlmA-ның бір домені FtsZ полимерімен байланысады, ал екінші домені полимерді үзеді. FtsZ сақинасын дұрыс орналастыруға қатысатын FtsZ полимерленуін тежегіш MinC де осыған ұқсас механизмді қолданады деп саналады.

Клиникалық маңызы

Қазіргі уақытта көп дәріге төзімді бактериялық штаммдардың саны артып келеді, сондықтан жаңа антимикробтық препараттарды жасау үшін дәрілік мақсаттарды анықтау шұғыл қажет. FtsZ-нің жасуша бөлінуін тоқтатудағы мүмкіндігі және бактерия түрлері арасындағы жоғары сақталу деңгейі FtsZ-ді жаңа антибиотиктерді әзірлеу үшін өте тартымды нысанаға айналдырады. Зерттеушілер FtsZ-ді тежеуші синтетикалық молекулалар мен табиғи заттарды зерттеп жатыр. FtsZ-дің өздігінен жиналу қабілеті нанотехнологияда металл наносымдар жасау үшін де қолданылуы мүмкін.