FtsZ

FtsZ es una proteína codificada por el gen ftsZ que se ensambla en un anillo en el sitio futuro de división celular bacteriana (también llamado anillo Z ). FtsZ es un homólogo procariota de la proteína eucariota tubulina . Las iniciales FtsZ significan " Mutante Z filamentoso sensible a la temperatura ". La hipótesis era que los mutantes de división celular de E. coli crecerían como filamentos debido a la incapacidad de las células hijas para separarse entre sí. FtsZ se encuentra en casi todas las bacterias, muchas arqueas, todos los cloroplastos y algunas mitocondrias, donde es esencial para la división celular. FtsZ ensambla el andamiaje citoesquelético del anillo Z que, junto con otras proteínas, se contrae para dividir la célula en dos.

En la década de 1960 , los científicos buscaron mutaciones sensibles a la temperatura que bloquearan la división celular a 42  °C. Las células mutantes se dividían normalmente a 30 °C, pero no lo hacían a 42 °C. El crecimiento continuo sin división producía células filamentosas largas ( Filamenting temperature s sesitive ). Se descubrieron varias de estas mutaciones y se mapearon a un locus originalmente llamado ftsA, que podría ser uno o más genes . En 1980, Lutkenhaus y Donachie ^{[ 1 ]} demostraron que varias de estas mutaciones se mapeaban a un gen, ftsA, pero una mutación bien caracterizada, PAT84, descubierta originalmente por Hirota et al., ^{[ 2 ]} se mapeaba a un gen separado y adyacente. Llamaron a este gen de división celular ftsZ. En 1991, Bi y Lutkenhaus utilizaron microscopía electrónica de inmunogold para demostrar que FtsZ se localizaba en el septo invaginante en el centro de la célula. ^{[ 3 ]} Posteriormente, los grupos de Losick y Margolin utilizaron microscopía de inmunofluorescencia ^{[ 4 ]} y fusiones de GFP ^{[ 5 ]} para demostrar que FtsZ ensamblaba anillos Z al principio del ciclo celular, mucho antes de que el septo comenzara a constreñirse. Luego, otras proteínas de división se ensamblan en el anillo Z y la constricción ocurre en la última parte del ciclo celular.

En 1992-1993, tres laboratorios descubrieron de forma independiente que FtsZ estaba relacionada con la tubulina eucariota, la subunidad proteica que se ensambla en microtúbulos. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} Este fue el primer descubrimiento de que las bacterias poseen homólogos de proteínas del citoesqueleto eucariota. Trabajos posteriores demostraron que FtsZ estaba presente y era esencial para la división celular en casi todas las bacterias y en muchas arqueas, aunque no en todas.

Las mitocondrias y los cloroplastos son orgánulos eucariotas que se originaron como endosimbiontes bacterianos, por lo que existía un gran interés en saber si utilizaban FtsZ para la división. El FtsZ de los cloroplastos fue descubierto por primera vez por Osteryoung ^{[ 9 ]} , y ahora se sabe que todos los cloroplastos utilizan FtsZ para la división. El FtsZ mitocondrial fue descubierto por Beech ^{[ 10 ]} en un alga; FtsZ se utiliza para la división mitocondrial en algunos eucariotas, mientras que otros lo han reemplazado con una maquinaria basada en dinamina.

En 2014, los científicos identificaron dos homólogos de FtsZ en arqueas , FtsZ1 y FtsZ2 . ^{[ 11 ]}

Durante la división celular , FtsZ es la primera proteína en desplazarse al sitio de división y es esencial para reclutar otras proteínas que producen una nueva pared celular ( tabique ) entre las células en división. La función de FtsZ en la división celular es análoga a la de la actina en la división celular eucariota, pero, a diferencia del anillo de actina - miosina en eucariotas, FtsZ no tiene ninguna proteína motora conocida asociada. La síntesis de la pared celular puede empujar externamente la membrana celular, proporcionando la fuerza para la citocinesis. En apoyo de esto, en E. coli la tasa de división se ve afectada por mutaciones en la síntesis de la pared celular. ^{[ 12 ]} Alternativamente, FtsZ puede tirar de la membrana desde el interior según Osawa (2009), que muestra la fuerza contráctil de la proteína en liposomas sin otras proteínas presentes. ^{[ 13 ]}

Erickson (2009) propuso cómo los roles de las proteínas similares a la tubulina y las proteínas similares a la actina en la división celular se invirtieron en un misterio evolutivo. ^{[ 14 ]} El uso del anillo FtsZ en la división de cloroplastos y algunas mitocondrias establece aún más su ascendencia procariota. ^{[ 15 ]} Las bacterias en forma L que carecen de pared celular no requieren FtsZ para la división, lo que implica que las bacterias pueden haber conservado componentes de un modo ancestral de división celular. ^{[ 16 ]}

Se sabe mucho sobre las actividades de polimerización dinámica de la tubulina y los microtúbulos , pero se sabe poco sobre estas actividades en FtsZ. Si bien se sabe que los protofilamentos de tubulina monocatenarios forman microtúbulos de 13 hebras , se desconoce la estructura multicatenaria del anillo Z que contiene FtsZ. Solo se especula que la estructura consiste en protofilamentos superpuestos. Sin embargo, trabajos recientes con FtsZ purificada en bicapas lipídicas soportadas, así como la obtención de imágenes de FtsZ en células bacterianas vivas, revelaron que los protofilamentos de FtsZ tienen polaridad y se mueven en una dirección mediante polimerización ^{[ 17 ]} (véase también más adelante).

Recientemente, se han descubierto proteínas similares a la tubulina y a FtsZ en grandes plásmidos presentes en especies de Bacillus . Se cree que funcionan como componentes de los segrosomas , complejos multiproteicos que organizan los cromosomas/plásmidos en las bacterias. Los homólogos plasmídicos de la tubulina/FtsZ parecen haber conservado la capacidad de polimerizarse en filamentos.

El anillo contráctil (el "anillo Z")

FtsZ puede unirse a GTP y también presenta un dominio GTPasa que le permite hidrolizar GTP a GDP y un grupo fosfato. In vivo , FtsZ forma filamentos con una disposición repetitiva de subunidades, todas dispuestas cabeza con cola. ^{[ 18 ]} Estos filamentos forman un anillo alrededor del punto medio longitudinal, o septo, de la célula. Este anillo se denomina anillo Z.

La actividad de hidrólisis de GTP de la proteína no es esencial para la formación de filamentos ni para la división celular. Los mutantes con deficiencia en la actividad GTPasa a menudo se dividen, pero en ocasiones forman septos retorcidos y desordenados. No está claro si FtsZ proporciona la fuerza física que da lugar a la división o si actúa como un andamiaje para que otras proteínas la lleven a cabo.

Existen dos modelos sobre cómo FtsZ podría generar una fuerza de constricción. Un modelo se basa en la observación de que los protofilamentos de FtsZ pueden ser rectos o curvos. Se sugiere que la transición de recto a curvo genera una fuerza de flexión en la membrana. ^{[ 19 ]} Otro modelo se basa en el deslizamiento de protofilamentos. Modelos computacionales y mediciones in vivo sugieren que los filamentos individuales de FtsZ no pueden mantener una longitud superior a 30 subunidades. En este modelo, la fuerza de escisión de FtsZ proviene del movimiento lateral relativo de las subunidades. ^{[ 20 ]} Las líneas de FtsZ se alinearían paralelamente y tirarían unas de otras creando un "cordón" de muchas hebras que se tensa a sí mismo.

En otros modelos, FtsZ no proporciona la fuerza contráctil, sino que ofrece a la célula un andamiaje espacial para que otras proteínas lleven a cabo la división celular. Esto es similar a la creación de una estructura temporal por parte de los trabajadores de la construcción para acceder a zonas de difícil acceso en un edificio. La estructura temporal permite un acceso sin restricciones y garantiza que los trabajadores puedan llegar a todas las zonas. Si la estructura temporal no se construye correctamente, los trabajadores no podrán acceder a ciertas zonas y el edificio quedará incompleto.

La teoría del andamiaje está respaldada por información que muestra que la formación del anillo y la localización en la membrana requieren la acción concertada de varias proteínas accesorias. ZipA o el homólogo de actina FtsA permiten la localización inicial de FtsZ en la membrana. ^{[ 21 ]} Tras la localización en la membrana, las proteínas de división de la familia Fts son reclutadas para el ensamblaje del anillo. ^{[ 22 ]} Muchas de estas proteínas dirigen la síntesis del nuevo septo de división en el centro de la célula (FtsI, FtsW), o regulan la actividad de esta síntesis (FtsQ, FtsL, FtsB, FtsN). El momento de la formación del anillo Z sugiere la posibilidad de una señal espacial o temporal que permite la formación de filamentos de FtsZ.

Imágenes de superresolución recientes en varias especies respaldan un modelo de andamiaje dinámico, en el que pequeños grupos de protofilamentos FtsZ o haces de protofilamentos se mueven unidireccionalmente alrededor de la circunferencia del anillo por polimerización, anclados a la membrana por FtsA y otros anclajes de membrana específicos de FtsZ. ^{[ 23 ] [ 24 ]} La velocidad de polimerización depende de la tasa de hidrólisis de GTP dentro de los protofilamentos FtsZ, pero en Escherichia coli , la síntesis del septo de división sigue siendo el paso limitante de la velocidad para la citocinesis. ^{[ 25 ]} La acción de polimerización de FtsZ es necesaria para la síntesis adecuada del septo de división por las enzimas de síntesis de peptidoglicano septal, lo que sugiere que estas enzimas pueden rastrear los extremos en crecimiento de los filamentos.

El número de cepas bacterianas multirresistentes está aumentando; por lo tanto, es urgente determinar las dianas farmacológicas para el desarrollo de nuevos fármacos antimicrobianos. El papel potencial de FtsZ en el bloqueo de la división celular, junto con su alto grado de conservación entre especies bacterianas, convierte a FtsZ en una diana muy atractiva para el desarrollo de nuevos antibióticos. ^{[ 34 ]} Los investigadores han estado trabajando con moléculas sintéticas y productos naturales como inhibidores de FtsZ. ^{[ 35 ]}

El autoensamblaje espontáneo de FtsZ también puede utilizarse en nanotecnología para fabricar nanocables metálicos. ^{[ 36 ] [ 37 ]}

• Fisión (biología) – Proceso biológico 
• Divisoma : complejo proteico en bacterias responsable de la división celular. 
• FtsK – Proteína implicada en la división celular bacteriana