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Articulo de referencia

Sistema mínimo

Desplazamiento del anillo Z y del macrodominio Ter en una célula de E. coli doble mutante ΔslmA Δmin. La fluorescencia del anillo Z se monitoriza mediante un constructo ZipA-GFP...

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Desplazamiento del anillo Z y del macrodominio Ter en una célula de E. coli doble mutante ΔslmA Δmin. La fluorescencia del anillo Z se monitoriza mediante un constructo ZipA-GFP (verde), mientras que el extremo cromosómico se marca con MatP-mCherry (rojo). Se superpone una imagen de contraste de fase (gris) para visualizar el contorno celular. La barra de escala es de 2  μm.

El sistema Min es un mecanismo compuesto por tres proteínas, MinC , MinD y MinE, que la bacteria E. coli utiliza para localizar correctamente el septo antes de la división celular . Cada componente participa en la generación de una oscilación dinámica de la inhibición de la proteína FtsZ entre los dos polos bacterianos para especificar con precisión la zona media de la célula, lo que permite que esta se divida correctamente en dos. Se sabe que este sistema funciona en conjunto con un segundo sistema regulador negativo, el sistema de oclusión del nucleoide (NO), para asegurar la correcta regulación espacial y temporal de la segregación y división cromosómica.

Historia

El descubrimiento inicial de esta familia de proteínas se atribuye a Adler et al. (1967). Se identificaron por primera vez como mutantes de E. coli que no podían producir un septo correctamente localizado, lo que resultaba en la generación de minicélulas [ 1 ] [ 2 ] debido a una división celular mal localizada que ocurría cerca de los polos bacterianos. Esto provocaba que vesículas en miniatura se desprendieran, carentes de los constituyentes moleculares esenciales que les permitían existir como células bacterianas viables. Las minicélulas son células acromosómicas que son productos de una división celular aberrante y contienen ARN y proteínas, pero poco o ningún ADN cromosómico . Este hallazgo condujo a la identificación de tres proteínas interactivas involucradas en un sistema dinámico de localización de la zona media de la célula para una división celular controlada adecuadamente.

Función

Las proteínas Min impiden que el anillo FtsZ se coloque en cualquier lugar que no sea cerca del centro de la célula, y se postula que participan en un mecanismo de regulación espacial que vincula el aumento de tamaño previo a la división celular con la polimerización de FtsZ en el centro de la célula.

El sistema MinCDE. MinD-ATP se une a un polo celular y también a MinC, lo que impide la formación de polímeros FtsZ. El anillo MinE provoca la hidrólisis del ATP unido a MinD, transformándolo en ADP y liberando el complejo de la membrana. El sistema oscila a medida que cada polo acumula una concentración de inhibidor que se desintegra periódicamente.

Centrado del anillo Z

Un modelo de formación del anillo Z permite su formación solo después de una señal espacial específica que indica a la célula que es lo suficientemente grande para dividirse. [ 3 ] El sistema MinCDE impide la polimerización de FtsZ cerca de ciertas partes de la membrana plasmática. MinD se localiza en la membrana solo en los polos celulares y contiene una ATPasa y un dominio de unión a ATP. MinD solo puede unirse a la membrana cuando se encuentra en su conformación unida a ATP. Una vez anclada, la proteína se polimeriza, dando lugar a cúmulos de MinD. Estos cúmulos se unen y activan otra proteína llamada MinC , que solo tiene actividad cuando está unida a MinD. [ 4 ] MinC actúa como un inhibidor de FtsZ que impide la polimerización de FtsZ. La alta concentración de un inhibidor de la polimerización de FtsZ en los polos impide que FtsZ inicie la división en cualquier lugar que no sea el centro de la célula. [ 5 ]

MinE participa en la prevención de la formación de complejos MinCD en el centro de la célula. MinE forma un anillo cerca de cada polo celular. Este anillo no es como el anillo Z. En cambio, cataliza la liberación de MinD de la membrana activando la ATPasa de MinD. Esto hidroliza el ATP unido a MinD, impidiendo que se adhiera a la membrana.

MinE impide que el complejo MinD/C se forme en el centro, pero le permite permanecer en los polos. Una vez liberado el complejo MinD/C, MinC se inactiva. Esto impide que MinC desactive FtsZ. Como consecuencia, esta actividad confiere especificidad regional a la localización de Min. [ 6 ] Por lo tanto, FtsZ solo puede formarse en el centro, donde la concentración del inhibidor MinC es mínima. Las mutaciones que impiden la formación de anillos de MinE dan como resultado que la zona MinCD se extienda mucho más allá de las zonas polares, impidiendo que FtsZ se polimerice y realice la división celular. [ 7 ] MinD requiere un paso de intercambio de nucleótidos para volver a unirse al ATP y así poder volver a asociarse con la membrana después de la liberación de MinE. El lapso de tiempo da como resultado una periodicidad de la asociación de Min que puede proporcionar pistas sobre una señal temporal vinculada a una señal espacial. Las observaciones in vivo muestran que la oscilación de las proteínas Min entre los polos celulares ocurre aproximadamente cada 50  segundos. [ 8 ] Sin embargo, la oscilación de las proteínas Min no es necesaria para todos los sistemas de división celular bacteriana. Se ha demostrado que Bacillus subtilis tiene concentraciones estáticas de MinC y MinD en los polos celulares. [ 9 ] Este sistema aún vincula el tamaño celular con la capacidad de formar un septo a través de FtsZ y dividirse.

Reconstitución in vitro

MinD (cian) perseguido por MinE (magenta) para formar ondas en espiral sobre una membrana artificial.

El comportamiento dinámico de las proteínas Min se ha reconstituido in vitro utilizando bicapas lipídicas artificiales, [ 10 ] con composición lipídica variable [ 11 ] y geometría de confinamiento diferente [ 12 ] como imitaciones de la membrana celular. El primer patrón que se reconstituyó fueron ondas espirales de MinD perseguidas por MinE, [ 13 ] seguido de la reconstitución de ondas de las tres proteínas, MinD, MinE y MinC. [ 14 ] Es importante destacar que MinD y MinE pueden autoorganizarse en una amplia variedad de patrones dependiendo de las condiciones de reacción. [ 15 ] [ 16 ]

Se requieren estudios adicionales para dilucidar el alcance de la señalización temporal y espacial que permite esta función biológica. Estos sistemas in vitro ofrecieron un acceso sin precedentes a características como los tiempos de residencia y la motilidad molecular.

Referencias

  1. ↑ De Boer PA, Crossley RE, Rothfield LI (1989). "Un inhibidor de la división y un factor de especificidad topológica codificados por el locus de la minicélula determinan la correcta ubicación del septo de división en E. coli". Cell . 56 ( 4): 641– 649. doi : 10.1016/0092-8674(89)90586-2 . PMID 2645057. S2CID 7650379 .  
  2. ↑ Adler HI, Fisher WD, Cohen A, Hardigree AA; Fisher; Cohen; Hardigree (1967). "Células miniatura de Escherichia coli deficientes en ADN" . PNAS . 57 ( 2): 321– 326. Bibcode : 1967PNAS...57..321A . doi : 10.1073/pnas.57.2.321 . PMC 335508. PMID 16591472 .  {{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  3. ↑ Weart RB, Levin PA (2003). " Regulación de la formación del anillo FtsZ medial dependiente de la tasa de crecimiento" . J Bacteriol . 185 (9): 2826– 2834. doi : 10.1128/JB.185.9.2826-2834.2003 . PMC 154409. PMID 12700262 .  
  4. ↑ Hu Z, Gogol EP, Lutkenhaus J (2002). "Ensamblaje dinámico de MinD en vesículas de fosfolípidos regulado por ATP y MinE" . Proc Natl Acad Sci USA . 99 (10): 6761– 6766. Bibcode : 2002PNAS...99.6761H . doi : 10.1073/pnas.102059099 . PMC 124476. PMID 11983867 .  
  5. ↑ Huang KC, Meir Y, Wingreen NS (2003). "Estructuras dinámicas en Escherichia coli: formación espontánea de anillos MinE y zonas polares MinD" . Proc Natl Acad Sci USA . 100 (22): 12724– 12728. Bibcode : 2003PNAS..10012724H . doi : 10.1073/pnas.2135445100 . PMC 240685. PMID 14569005 .  
  6. ↑ Hu Z, Saez C, Lutkenhaus J (2003). "Reclutamiento de MinC, un inhibidor de la formación del anillo Z, a la membrana en Escherichia coli: papel de MinD y MinE" . J Bacteriol . 185 (1): 196–203 . doi : 10.1128/JB.185.1.196-203.2003 . PMC 141945. PMID 12486056 .  
  7. ↑ Hu Z, Lutkenhaus J (2001). "Regulación topológica de la división celular en E. coli: la oscilación espaciotemporal de MinD requiere la estimulación de su ATPasa por MinE y fosfolípidos" . Mol Cell . 7 (6): 1337– 1343. doi : 10.1016/S1097-2765(01)00273-8 . PMID 11430835 . 
  8. ↑ Dajkovic A, Lutkenhaus J (2006). "El anillo Z como ejecutor de la división celular bacteriana". J Mol Micro Biotechnol . 11 ( 3–5 ): 140–151 . doi : 10.1159/000094050 . PMID 16983191. S2CID 10043376 .  
  9. ↑ Marston AL, Thomaides HB, Edwards DH, Sharpe ME, Errington J (1998). "Localización polar de la proteína MinD de Bacillus subtilis y su función en la selección del sitio de división celular media" . Genes Dev . 12 (21): 3419–3430 . doi : 10.1101/gad.12.21.3419 . PMC 317235. PMID 9808628 .  
  10. ↑ Loose, Martin; Fischer-Friedrich, Elisabeth; Ries, Jonas; Kruse, Karsten; Schwille, Petra (2008-05-09). "Los reguladores espaciales de la división celular bacteriana se autoorganizan en ondas superficiales in vitro". Science . 320 (5877): 789– 792. Bibcode : 2008Sci...320..789L . doi : 10.1126/science.1154413 . ISSN 1095-9203 . PMID 18467587 . S2CID 27134918 .   
  11. ↑ Vecchiarelli, Anthony G.; Li, Min; Mizuuchi, Michiyo; Mizuuchi, Kiyoshi (2014-08-01). "Las afinidades diferenciales de MinD y MinE a los fosfolípidos aniónicos influyen en la dinámica del patrón de Min in vitro" . Molecular Microbiology . 93 (3): 453– 463. doi : 10.1111/mmi.12669 . ISSN 1365-2958 . PMC 4116444. PMID 24930948 .   
  12. ↑ Zieske, Katja; Schwille, Petra (2014-01-01). " Reconstitución de gradientes de proteínas autoorganizadas como señales espaciales en sistemas libres de células" . eLife . 3. doi : 10.7554/eLife.03949 . ISSN 2050-084X . PMC 4215534. PMID 25271375 .   
  13. ↑ Loose, Martin; Fischer-Friedrich, Elisabeth; Ries, Jonas; Kruse, Karsten; Schwille, Petra (2008-05-09). "Los reguladores espaciales de la división celular bacteriana se autoorganizan en ondas superficiales in vitro". Science . 320 (5877): 789– 792. Bibcode : 2008Sci...320..789L . doi : 10.1126/science.1154413 . ISSN 1095-9203 . PMID 18467587 . S2CID 27134918 .   
  14. ↑ Loose, Martin; Fischer-Friedrich, Elisabeth; Herold, Christoph; Kruse, Karsten; Schwille, Petra (2011-05-09). "Los patrones de la proteína Min emergen del rápido re-unión y la interacción de la membrana de MinE". Nat Struct Mol Biol . 18 (5): 577– 83. doi : 10.1038/nsmb.2037 . PMID 21516096 . S2CID 30014235 .  
  15. ↑ Ivanov, V.; Mizuuchi, K. (2010-03-08). "Múltiples modos de interconversión de la formación de patrones dinámicos por proteínas de división celular bacteriana" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 107 (18): 8071– 8078. doi : 10.1073/pnas.0911036107 . ISSN 0027-8424 . PMC 2889524. PMID 20212106 .   
  16. ↑ Vecchiarelli, Anthony G.; Li, Min; Mizuuchi, Michiyo; Hwang, Ling Chin; Seol, Yeonee; Neuman, Keir C.; Mizuuchi, Kiyoshi (2016-03-15). "El complejo MinDE unido a la membrana actúa como un interruptor biestable que impulsa la oscilación de Min acoplada al agotamiento citoplasmático de MinD" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 113 (11): E1479–1488. Bibcode : 2016PNAS..113E1479V . doi : 10.1073/pnas.1600644113 . ISSN 1091-6490 . PMC 4801307. PMID 26884160 .