Белок FtsZ и его роль в делении бактериальных клеток.

Введение

Белок, кодируемый геном ftsZ

FtsZ – это белок, кодируемый геном ftsZ, который собирается в кольцо в будущем месте деления бактериальной клетки (также называемое Z-кольцом). FtsZ является прокариотическим гомологом эукариотического белка тубулина. Аббревиатура FtsZ расшифровывается как "filamenting temperature-sensitive mutant Z" (нитевидный температурно-чувствительный мутант Z). Предполагалось, что мутанты E. coli с нарушенным делением клеток будут расти в виде нитей из-за неспособности дочерних клеток разделяться. FtsZ встречается почти во всех бактериях, многих археях, всех хлоропластах и некоторых митохондриях, где он необходим для деления клеток. FtsZ формирует цитоскелетный каркас Z-кольца, которое, вместе с другими белками, сужается, разделяя клетку на две.

История

В 1960-х годах ученые проводили скрининг на мутации, чувствительные к температуре, которые блокировали деление клеток при 42 °C. Мутантные клетки делились нормально при 30°, но не делились при 42°. Продолжающийся рост без деления приводил к образованию длинных нитевидных клеток (нитевидные, чувствительные к температуре). Было обнаружено несколько таких мутантов, и их локализовали в локусе, первоначально названном *ftsA*, который мог состоять из одного или нескольких генов. В 1980 году Латкенхаус и Доначи показали, что несколько из этих мутаций соответствуют одному гену, *ftsA*, но один хорошо охарактеризованный мутант, PAT84, первоначально обнаруженный Хиротой и соавторами, соответствовал отдельному, соседнему гену. Они назвали этот ген, участвующий в делении клеток, *ftsZ*. В 1991 году Би и Латкенхаус использовали иммунозолотую электронную микроскопию, чтобы показать, что FtsZ локализуется в инвагинирующей перегородке в середине клетки. Впоследствии группы Лосика и Марголина использовали иммунофлуоресцентную микроскопию и GFP-слияния, чтобы показать, что FtsZ формирует Z-кольца в начале клеточного цикла, задолго до начала сужения перегородки. Затем другие белки, участвующие в делении, собираются на Z-кольце, и сужение происходит в последней фазе клеточного цикла. В 1992 году три лаборатории независимо друг от друга обнаружили, что FtsZ гомологичен эукариотическому тубулину – белковой субъединице, из которой собираются микротрубочки. Это было первое открытие, показавшее, что у бактерий есть гомологи эукариотических белков цитоскелета. Последующие исследования показали, что FtsZ присутствует и необходим для деления клеток почти во всех бактериях и во многих, но не во всех археях. Митохондрии и хлоропласты – это эукариотические органеллы, возникшие как бактериальные эндосимбионты, поэтому существовал большой интерес к тому, используют ли они FtsZ для деления. Хлоропластный FtsZ был впервые обнаружен Остерингом, и теперь известно, что все хлоропласты используют FtsZ для деления. Митохондриальный FtsZ был обнаружен Бичем в водоросли; FtsZ используется для деления митохондрий у некоторых эукариот, в то время как другие заменили его механизмом, основанным на динамине. В 2014 году ученые идентифицировали два гомолога FtsZ в археях: FtsZ1 и 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

Во время деления клеток FtsZ является первым белком, перемещающимся к месту деления, и играет ключевую роль в привлечении других белков, которые формируют новую клеточную стенку (септум) между разделяющимися клетками. Роль FtsZ в делении клеток аналогична роли актина в делении эукариотических клеток, но, в отличие от актино-миозинового кольца в эукариотах, с FtsZ не связан ни один известный моторный белок. Синтез клеточной стенки может оказывать внешнее давление на клеточную мембрану, обеспечивая силу для цитокинеза. Подтверждением этому служит то, что у *E. coli* скорость деления изменяется при мутациях в генах, отвечающих за синтез клеточной стенки. В качестве альтернативы, FtsZ может осуществлять вытягивание мембраны изнутри, как показано Osawa (2009), продемонстрировавшей сократительную силу белка на липосомах в отсутствие других белков. Эриксон (2009) предположил, как в ходе эволюции поменялись местами роли белков, подобных тубулину, и белков, подобных актину, в процессе деления клеток. Использование кольца FtsZ при делении хлоропластов и некоторых митохондрий дополнительно подтверждает их прокариотическое происхождение. Бактерии формы L, лишенные клеточной стенки, не нуждаются в FtsZ для деления, что указывает на то, что бактерии могли сохранить компоненты древнего механизма деления клеток. Хорошо изучены динамические процессы полимеризации тубулина и микротрубочек, но о подобных процессах в отношении FtsZ известно немного. Хотя известно, что однонитевые протофиламенты тубулина формируют 13-нитевые микротрубочки, структура Z-кольца, содержащего FtsZ, остается неизвестной. Предполагается, что она состоит из перекрывающихся протофиламентов. Тем не менее, недавние исследования с очищенным FtsZ на поддерживаемых липидных бислоях, а также визуализация FtsZ в живых бактериальных клетках показали, что протофиламенты FtsZ обладают полярностью и перемещаются в одном направлении посредством "беговой дорожки" (см. также ниже). Недавно белки, сходные с тубулином и FtsZ, были обнаружены в крупных плазмидах, найденных у видов *Bacillus*. Предполагается, что они функционируют как компоненты сегросом – мультипротеиновых комплексов, осуществляющих разделение хромосом/плазмид у бактерий. Плазмидные гомологи тубулина/FtsZ, по-видимому, сохранили способность полимеризоваться в филаменты.

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.

Кольцо сокращения (кольцо Z)

FtsZ обладает способностью связываться с GTP, а также содержит домен GTPазы, позволяющий гидролизовать GTP до GDP и фосфатной группы. In vivo, FtsZ формирует нити с повторяющейся последовательностью субъединиц, расположенных последовательно друг за другом. Эти нити образуют кольцо вокруг продольной середины клетки, или септум. Это кольцо называется Z-кольцом. GTPаза-активность белка не является необходимой для формирования нитей или деления клетки. Мутанты с дефектами в GTPаза-активности часто все еще делятся, но иногда формируют искривленные и дезорганизованные септы. Неясно, обеспечивает ли FtsZ непосредственно физическую силу, приводящую к делению, или служит каркасом для других белков, осуществляющих деление. Существует две модели того, как FtsZ может генерировать силу сжатия. Одна основана на наблюдении, что протофиламенты FtsZ могут быть прямыми или изогнутыми. Переход от прямого состояния к изогнутому предположительно создает изгибающую силу на мембране. Другая модель основана на скольжении протофиламентов. Компьютерное моделирование и измерения in vivo показывают, что отдельные нити FtsZ не могут поддерживать длину более 30 субъединиц. В этой модели сила расщепления FtsZ возникает из-за относительного бокового смещения субъединиц. Нити FtsZ выстраиваются параллельно друг другу и тянут друг друга, создавая "канат", состоящий из множества нитей, который затягивается. В других моделях FtsZ не обеспечивает сократительную силу, а предоставляет клетке пространственный каркас для других белков, осуществляющих деление клетки. Это аналогично возведению временной конструкции строителями для доступа к труднодоступным местам здания. Временная конструкция обеспечивает свободный доступ и гарантирует, что рабочие смогут достичь всех участков. Если временная конструкция построена неправильно, рабочие не смогут добраться до определенных мест, и здание будет иметь дефекты. Теория каркаса подтверждается данными, показывающими, что формирование кольца и локализация на мембране требуют согласованных действий ряда вспомогательных белков. ZipA или гомолог актина FtsA обеспечивают первоначальную локализацию FtsZ на мембране. После локализации на мембрану, для сборки кольца рекрутируются белки деления семейства Fts. Многие из этих белков направляют синтез новой септы деления в середине клетки (FtsI, FtsW) или регулируют активность этого синтеза (FtsQ, FtsL, FtsB, FtsN). Время формирования Z-кольца предполагает возможность пространственного или временного сигнала, разрешающего формирование нитей FtsZ. Недавние изображения с высоким разрешением у нескольких видов поддерживают динамическую модель каркаса, в которой небольшие кластеры протофиламентов FtsZ или пучки протофиламентов движутся однонаправленно по окружности кольца посредством "бегущей волны", закрепленные на мембране FtsA и другими специфическими для FtsZ мембранными якорями. Скорость "бегущей волны" зависит от скорости гидролиза GTP в протофиламентах FtsZ, но у Escherichia coli синтез септы деления остается лимитирующей стадией цитокинеза. "Бегущая волна" FtsZ необходима для правильного синтеза септы деления ферментами синтеза пептидогликана септы, что позволяет предположить, что эти ферменты могут отслеживать растущие концы нитей.

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.

Локализация септы и внутриклеточная сигнализация

Формирование Z-кольца тесно совпадает с клеточными процессами, связанными с репликацией. Образование Z-кольца совпадает с завершением репликации генома у *E. coli* и 70% репликации хромосом у *B. subtilis*. Время формирования Z-кольца указывает на возможность пространственного или временного сигнала, разрешающего формирование филаментов FtsZ. У *Escherichia coli* по крайней мере два отрицательных регулятора сборки FtsZ формируют биполярный градиент, в результате чего концентрация активного FtsZ, необходимая для сборки FtsZ, максимальна в середине клетки между двумя разделяющимися хромосомами и минимальна на полюсах и над хромосомами. Подобный тип регуляции наблюдается и у других видов, таких как *Bacillus subtilis* и *Caulobacter crescentus*. Однако другие виды, включая *Streptococcus pneumoniae* и *Myxococcus xanthus*, по-видимому, используют положительные регуляторы, стимулирующие сборку FtsZ в середине клетки.

Сообщение о бедствии

Полимеризация FtsZ также связана со стрессорами, такими как повреждение ДНК. Повреждение ДНК индуцирует синтез разнообразных белков, одним из которых является SulA. SulA предотвращает полимеризацию и ГТФазную активность FtsZ, связываясь с участками самораспознавания FtsZ. Таким образом, секвестрируя FtsZ, клетка может напрямую связать повреждение ДНК с ингибированием клеточного деления.

Предотвращение повреждения ДНК

Как и SulA, существуют другие механизмы, предотвращающие деление клеток, которое привело бы к передаче нарушенной генетической информации дочерним клеткам. На данный момент в E. coli и B. subtilis идентифицировано два белка, препятствующих делению над областью нуклеоида: Noc и SlmA. Выключение гена noc приводит к делению клеток, игнорирующему область нуклеоида, что вызывает его асимметричное распределение между дочерними клетками. Механизм действия до конца не выяснен, но предполагается, что он включает секвестрацию FtsZ, предотвращающую полимеризацию над областью нуклеоида. Механизм, используемый SlmA для ингибирования полимеризации FtsZ над нуклеоидом, изучен лучше и состоит из двух последовательных этапов. Один домен SlmA связывается с полимером FtsZ, а затем другой домен SlmA расщепляет этот полимер. Считается, что аналогичный механизм использует MinC, еще один ингибитор полимеризации FtsZ, участвующий в позиционировании кольца FtsZ.

Клиническое значение

В настоящее время наблюдается рост числа штаммов бактерий, устойчивых к множеству лекарственных препаратов, поэтому неотложно необходимо определить мишени для разработки новых противомикробных средств. Потенциальная роль FtsZ в блокировании деления клеток, в сочетании с высокой степенью его консервации у различных видов бактерий, делает FtsZ весьма привлекательной мишенью для создания новых антибиотиков. Исследователи работают над синтетическими молекулами и природными соединениями в качестве ингибиторов FtsZ. Спонтанная самосборка FtsZ также может быть использована в нанотехнологиях для создания металлических нанопроводов.