Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Белок деления клеток FtsZ
Идентификаторы
Условное обозначениеFtsZ
ИнтерПроIPR000158
CATH1fsz
SCOP21fsz / SCOPe / SUPFAM
CDDcd02201
FtsZ, C-терминал сэндвич
Идентификаторы
Условное обозначениеFtsZ_C
PfamPF12327
ИнтерПроIPR024757
Доступные белковые структуры:
Pfam  структуры / ECOD  
PDBRCSB PDB ; PDBe ; PDBj
PDBsumкраткое изложение структуры
Белок деления клеток FtsZ
PDB 1fsz EBI.jpg
Молекулярная структура FtsZ (PDB 1fsz).
Идентификаторы
Организмкишечная палочка
Условное обозначениеftsZ
UniProtP0A9A6
Искать
СтруктурыШвейцарская модель
ДоменыИнтерПро

FtsZ - это белок, кодируемый геном ftsZ , который собирается в кольцо в месте будущего деления бактериальной клетки . FtsZ является прокариотическим гомологом из эукариотического белка тубулина . Инициалы FtsZ среднее " F ilamenting т emperature- с ensitive мутантный Z " . Гипотеза заключалась в том, что мутанты клеточного деления E. coli будут расти как нитииз-за неспособности дочерних клеток отделяться друг от друга. FtsZ содержится почти во всех бактериях, многих архее, всех хлоропластах и ​​некоторых митохондриях, где он необходим для деления клеток. FtsZ собирает цитоскелетный каркас Z-кольца, которое вместе с дополнительными белками сжимается, чтобы разделить клетку на две части.

История [ править ]

В 1960-х годах ученые провели скрининг на чувствительные к температуре мутации, которые блокировали деление клеток при 42 ° C. Мутантные клетки обычно делились при 30 °, но не могли делиться при 42 °. Непрерывный рост производства без разделения длинные нитевидные клетки ( F ilamenting т емпера тура с ensitive). Несколько таких мутантов были обнаружены и сопоставлены с локусом, первоначально названным ftsA, который мог быть одним или несколькими генами . В 1980 году Люткенхаус и Доначи [1] показали, что несколько из этих мутаций картированы с одним геном, ftsA, но с одним хорошо охарактеризованным мутантом, PAT84, первоначально обнаруженным Hirota et al, [2]сопоставлен с отдельным соседним геном. Они назвали этот ген деления клетки ftsZ. В 1991 году Би и Люткенхаус использовали электронную микроскопию иммунного золота, чтобы показать, что FtsZ локализуется на инвагинирующей перегородке в средней клетке. [3] Впоследствии группы Losick и Margolin использовали иммуно-флуоресцентную микроскопию [4] и слияние GFP [5], чтобы показать, что FtsZ собирает Z кольца на ранних этапах клеточного цикла, задолго до того, как перегородка начала сужаться. Затем другие белки деления собираются на Z-кольцо, и сжатие происходит в последней части клеточного цикла.

В 1992–1993 годах три лаборатории независимо друг от друга обнаружили, что FtsZ был связан с эукариотическим тубулином, который представляет собой белковую субъединицу, которая собирается в микротрубочки. [6] [7] [8] Это было первое открытие, что бактерии имеют гомологи эукариотических белков цитоскелета. Более поздние исследования показали, что FtsZ присутствует и необходим для деления клеток почти всех бактерий и многих, но не всех архей.

Митохондрии и хлоропласты представляют собой эукариотические органеллы, которые произошли от бактериальных эндосимбионтов, поэтому был большой интерес к тому, используют ли они FtsZ для деления. Хлоропласт FtsZ был впервые обнаружен Osteryoung, [9], и теперь известно, что все хлоропласты используют FtsZ для деления. Митохондриальный FtsZ был обнаружен Бичем [10] в водоросли; FtsZ используется для деления митохондрий у некоторых эукариот, в то время как другие заменили его механизмом на основе динамина.  

Функция [ править ]

Ингибирование FtsZ нарушает образование перегородки, что приводит к филаментации бактериальных клеток (вверху справа на электронной микрофотографии).

Во время деления клетки FtsZ является первым белком, который перемещается к месту деления, и необходим для рекрутирования других белков, которые производят новую клеточную стенку ( перегородку ) между делящимися клетками. Роль FtsZ в делении клеток аналогична тубулина в эукариотической деление клеток, но, в отличие от актина - миозина кольца в эукариот, FtsZ не известный белок двигателя , связанный с ним. Таким образом, происхождение цитокинетической силы остается неясным, но считается, что локальный синтез новой клеточной стенки производит по крайней мере часть этой силы. [11] В липосомах Osawa (2009) показал, что FtsZ способен проявлять сократительную силу без присутствия других белков. [12]

Эриксон (2009) предположил, как роль тубулиноподобных белков и актин-подобных белков в делении клеток стала обратной в эволюционной загадке. [13] Использование кольца FtsZ для деления хлоропластов и некоторых митохондрий дополнительно подтверждает их прокариотическое происхождение. [14] Бактерии L-формы , у которых отсутствует клеточная стенка , не нуждаются в FtsZ для деления, что означает, что бактерии могли сохранить компоненты предкового способа деления клеток. [15]

Много известно о динамической полимеризационной активности тубулина и микротрубочек , но мало известно об этой активности в FtsZ. Хотя известно, что одноцепочечные протофиламенты тубулина образуют 13-нитевые микротрубочки , многоцепочечная структура Z-кольца, содержащего FtsZ, неизвестна. Это только предположение, что структура состоит из перекрывающихся протофиламентов. Тем не менее, недавняя работа с очищенным FtsZ на поддерживаемых липидных бислоях, а также визуализация FtsZ в живых бактериальных клетках показали, что протофиламенты FtsZ имеют полярность и движутся в одном направлении с помощью беговой дорожки [16] (см. Также ниже).

Недавно белки, подобные тубулину и FtsZ, были обнаружены в больших плазмидах, обнаруженных у видов Bacillus . Считается, что они функционируют как компоненты сегросом , которые представляют собой мультибелковые комплексы, которые разделяют хромосомы / плазмиды у бактерий. Плазмидные гомологи тубулина / FtsZ, по-видимому, сохранили способность полимеризоваться в филаменты.

Сократительное кольцо [ править ]

Z-кольцо образуется из более мелких субъединиц волокон FtsZ. Эти нити могут тянуться друг к другу и сжиматься, чтобы разделить клетку.
Изображение Z-колец в сверхвысоком разрешении (зеленые) на разных стадиях сжатия в двух клетках E. coli .

FtsZ обладает способностью связываться с GTP, а также демонстрирует домен GTPase, который позволяет ему гидролизовать GTP до GDP и фосфатной группы. In vivo FtsZ формирует филаменты с повторяющимся расположением субъединиц, все они расположены голова к хвосту. [17] Эти волокна образуют кольцо вокруг продольной средней точки или перегородки клетки. Это кольцо называется Z-кольцом.

ГТФ-гидролизирующая активность белка не важна для образования нитей или деления клеток. Мутанты, дефектные по активности GTPase, часто все же делятся, но иногда образуют скрученные и неупорядоченные перегородки. Неясно, действительно ли FtsZ обеспечивает физическую силу, которая приводит к делению, или служит маркером для других белков, выполняющих деление.

Если FtsZ действительно обеспечивает силу, которая разделяет клетку, это может происходить за счет относительного движения субъединиц. Компьютерные модели и измерения in vivo показывают, что одиночные филаменты FtsZ не могут выдерживать длину более 30 субъединиц. В этой модели сила разрыва FtsZ возникает из-за относительного бокового движения субъединиц. [18] Линии FtsZ будут выстраиваться параллельно и натягивать друг друга, образуя «шнур» из множества струн, который сам стягивается.

В других моделях FtsZ не обеспечивает сократительную силу, но предоставляет клетке пространственный каркас для других белков, чтобы выполнять деление клетки. Это сродни созданию строителями временной конструкции для доступа в труднодоступные места здания. Временная конструкция обеспечивает беспрепятственный доступ и гарантирует, что рабочие могут добраться до любого места. Если временное сооружение построено неправильно, рабочие не смогут добраться до определенных мест, и здание будет неполноценным.

Теория каркаса подтверждается информацией, которая показывает, что образование кольца и его локализация на мембране требует согласованного действия ряда дополнительных белков. ZipA или FtsA, гомолог актина, допускают начальную локализацию FtsZ на мембране. [19] После локализации на мембране белки деления семейства Fts рекрутируются для сборки кольца. [20] Многие из этих белков направляют синтез новой перегородки деления в средней клетке (FtsI, FtsW) или регулируют активность этого синтеза (FtsQ, FtsL, FtsB, FtsN). Время образования Z-кольца предполагает возможность пространственного или временного сигнала, который позволяет формировать волокна FtsZ.

Недавняя визуализация в сверхвысоком разрешении у нескольких видов животных поддерживает динамическую модель каркаса, в которой небольшие кластеры протофиламентов FtsZ или пучков протофиламентов перемещаются в одном направлении по окружности кольца посредством беговой дорожки, прикрепляясь к мембране с помощью FtsA и других FtsZ-специфичных мембранных страховок. [21] [22] Скорость беговой дорожки зависит от скорости гидролиза GTP в протофиламентах FtsZ, но у Escherichia coli синтез перегородки деления остается этапом, ограничивающим скорость цитокинеза. [23] Беговое действие FtsZ необходимо для правильного синтеза перегородки деления с помощью ферментов синтеза пептидогликана перегородки, что позволяет предположить, что эти ферменты могут отслеживать растущие концы нитей.

Локализация перегородки и внутриклеточная передача сигналов [ править ]

Формирование Z-кольца полностью совпадает с клеточными процессами, связанными с репликацией. Образование Z-кольца совпадает с прекращением репликации генома у E. coli и 70% хромосомной репликации у B. subtilis . [24] Выбор времени образования Z-кольца предполагает возможность пространственного или временного сигнала, который делает возможным образование волокон FtsZ. В Escherichia coli по крайней мере два негативных регулятора сборки FtsZ образуют биполярный градиент, так что критическая концентрация FtsZ, необходимая для сборки FtsZ, является самой низкой в ​​средней клетке между двумя сегрегационными хромосомами. Этот тип регуляции, по-видимому, встречается у других видов, таких как Bacillus subtilis иCaulobacter crescentus . Однако другие виды, включая Streptococcus pneumoniae и Myxococcus xanthus, по- видимому, используют положительные регуляторы, которые стимулируют сборку FtsZ в средней клетке. [25]

Сообщение о бедствии [ править ]

Полимеризация FtsZ также связана со стрессорами, такими как повреждение ДНК . Повреждение ДНК вызывает производство множества белков, один из которых называется SulA . [26] SulA предотвращает полимеризацию и ГТФазную активность FtsZ. SulA выполняет эту задачу путем привязки к самопознавающимся сайтам FtsZ. Изолируя FtsZ, клетка может напрямую связывать повреждение ДНК с ингибированием деления клетки. [27]

Предотвращение повреждения ДНК [ править ]

Как и SulA, существуют другие механизмы, предотвращающие деление клеток, которое может привести к нарушению передачи генетической информации дочерним клеткам. К настоящему времени в E. coli и B. subtilis были идентифицированы два белка, которые предотвращают деление по области нуклеоида: Noc и SlmA . Нокауты гена Noc приводят к клеткам, которые делятся независимо от области нуклеоида , что приводит к его асимметричному разделению между дочерними клетками. Механизм не совсем понятен, но предполагается, что он включает секвестрацию FtsZ, предотвращающую полимеризацию в области нуклеоида. [28] Механизм, используемый SlmA для ингибирования полимеризации FtsZ по нуклеоиду [29]лучше понят и использует два отдельных шага. Один домен SlmA связывается с полимером FtsZ, затем отдельный домен SlmA разделяет полимер. [30] Подобный механизм, как полагают, использует MinC, другой ингибитор полимеризации FtsZ, участвующий в позиционировании кольца FtsZ. [31]

Клиническое значение [ править ]

Число штаммов бактерий с множественной лекарственной устойчивостью в настоящее время увеличивается; Таким образом, срочно необходимо определение целевых лекарств для разработки новых противомикробных препаратов. Потенциальная роль FtsZ в блокировании деления клеток, вместе с его высокой степенью консервативности среди видов бактерий, делает FtsZ очень привлекательной мишенью для разработки новых антибиотиков. [32] Исследователи работают над синтетическими молекулами и натуральными продуктами в качестве ингибиторов FtsZ. [33]

См. Также [ править ]

  • Деление (биология)
  • Divisome

Ссылки [ править ]

  1. ^ Lutkenhaus JF, Wolf-Watz H, Donachie WD (май 1980). «Организация генов в области ftsA-envA генетической карты Escherichia coli и идентификация нового локуса fts (ftsZ)» (PDF) . Журнал бактериологии . 142 (2): 615–20. DOI : 10.1128 / JB.142.2.615-620.1980 . OCLC  678550294 . PMC  294035 . PMID  6991482 .
  2. ^ Хирота Y, Ryter A, Jacob F (1968-01-01). «Термочувствительные мутанты E. coli затронуты процессами синтеза ДНК и деления клеток». Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии . 33 : 677–93. DOI : 10.1101 / sqb.1968.033.01.077 . PMID 4892005 . 
  3. ^ Bi EF, Lutkenhaus J (ноябрь 1991). «Кольцевая структура FtsZ, связанная с делением у Escherichia coli». Природа . 354 (6349): 161–4. Bibcode : 1991Natur.354..161B . DOI : 10.1038 / 354161a0 . PMID 1944597 . S2CID 4329947 .  
  4. ^ Левин П., Losick R (февраль 1996). «Фактор транскрипции Spo0A переключает локализацию белка деления клетки FtsZ с медиального на биполярный паттерн в Bacillus subtilis» . Гены и развитие . 10 (4): 478–88. DOI : 10,1101 / gad.10.4.478 . PMID 8600030 . 
  5. ↑ Ma X, Ehrhardt DW, Margolin W (ноябрь 1996 г.). «Совместная локализация белков деления клеток FtsZ и FtsA в структурах цитоскелета в живых клетках Escherichia coli с использованием зеленого флуоресцентного белка» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 93 (23): 12998–3003. Bibcode : 1996PNAS ... 9312998M . DOI : 10.1073 / pnas.93.23.12998 . PMC 24035 . PMID 8917533 .  
  6. ^ Raychaudhuri D, Парк JT (сентябрь 1992). «Ген деления клеток Escherichia coli ftsZ кодирует новый GTP-связывающий белок». Природа . 359 (6392): 251–4. Bibcode : 1992Natur.359..251R . DOI : 10.1038 / 359251a0 . PMID 1528267 . S2CID 4355143 .  
  7. ↑ de Boer P, Crossley R, Rothfield L (сентябрь 1992 г.). «Важнейшим белком деления бактериальных клеток FtsZ является GTPase». Природа . 359 (6392): 254–6. Bibcode : 1992Natur.359..254D . DOI : 10.1038 / 359254a0 . PMID 1528268 . S2CID 2748757 .  
  8. ^ Мукхержи А, Даи К, Lutkenhaus J (февраль 1993). «Белок деления клеток Escherichia coli FtsZ представляет собой белок, связывающий гуанин-нуклеотид» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 90 (3): 1053–7. Bibcode : 1993PNAS ... 90.1053M . DOI : 10.1073 / pnas.90.3.1053 . PMC 45809 . PMID 8430073 .  
  9. ^ Osteryoung KW, Vierling E (август 1995). «Консервативное деление клеток и органелл». Природа . 376 (6540): 473–4. Bibcode : 1995Natur.376..473O . DOI : 10.1038 / 376473b0 . PMID 7637778 . S2CID 5399155 .  
  10. ^ Бук PL, Nheu T, T Schultz, Herbert S, T Литгоу, Gilson PR, Макфэдден GI (февраль 2000). «Митохондриальные ФцЗ в водоросли хромофитах». Наука . 287 (5456): 1276–9. Bibcode : 2000Sci ... 287.1276B . DOI : 10.1126 / science.287.5456.1276 . PMID 10678836 . S2CID 26587576 .  
  11. ^ Coltharp С, Buss Дж, Пламер ТМ, Сяо J (февраль 2016). «Определение лимитирующих процессов бактериального цитокинеза» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 113 (8): E1044-53. Bibcode : 2016PNAS..113E1044C . DOI : 10.1073 / pnas.1514296113 . PMC 4776500 . PMID 26831086 .  
  12. Перейти ↑ Osawa M, Anderson DE, Erickson HP (май 2008 г.). «Восстановление сократительных колец FtsZ в липосомах» . Наука . 320 (5877): 792–4. Bibcode : 2008Sci ... 320..792O . DOI : 10.1126 / science.1154520 . PMC 2645864 . PMID 18420899 .  
  13. ^ Эриксон HP (июль 2007 г.). «Эволюция цитоскелета» . BioEssays . 29 (7): 668–77. DOI : 10.1002 / bies.20601 . PMC 2630885 . PMID 17563102 .  
  14. ^ Leger MM, Petr M, árský V, Eme L, Vlček Č, Harding T, et al. (Август 2015 г.). «Система деления предковых бактерий широко распространена в митохондриях эукариот» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 112 (33): 10239–46. Bibcode : 2015PNAS..11210239L . DOI : 10.1073 / pnas.1421392112 . PMC 4547283 . PMID 25831547 .  
  15. ^ Ливер M, Домингес-Куэвас P, Coxhead JM, Daniel RA, Errington J (февраль 2009). «Жизнь без стены или машины деления в Bacillus subtilis». Природа . 457 (7231): 849–53. Bibcode : 2009Natur.457..849L . DOI : 10,1038 / природа07742 . PMID 19212404 . S2CID 4413852 .  
  16. ^ Сыпучие M, Mitchison TJ (январь 2014). «Белки деления бактериальных клеток FtsA и FtsZ самоорганизуются в динамические паттерны цитоскелета» . Природа клеточной биологии . 16 (1): 38–46. DOI : 10.1038 / ncb2885 . PMC 4019675 . PMID 24316672 .  
  17. ^ Десаи A, Mitchison TJ (1997). «Динамика полимеризации микротрубочек». Ежегодный обзор клеточной биологии и биологии развития . 13 : 83–117. DOI : 10.1146 / annurev.cellbio.13.1.83 . PMID 9442869 . 
  18. ↑ Lan G, Daniels BR, Dobrowsky TM, Wirtz D, Sun SX (январь 2009 г.). «Конденсация филаментов FtsZ может приводить к делению бактериальных клеток» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 106 (1): 121–6. Bibcode : 2009PNAS..106..121L . DOI : 10.1073 / pnas.0807963106 . PMC 2629247 . PMID 19116281 .  
  19. ^ Pichoff S, Lutkenhaus J (март 2005). «Привязка кольца Z к мембране через консервативную мембранную нацеленную последовательность в FtsA» . Молекулярная микробиология . 55 (6): 1722–34. DOI : 10.1111 / j.1365-2958.2005.04522.x . PMID 15752196 . 
  20. ^ Buddelmeijer N, Беквит J (декабрь 2002). «Сборка белков клеточного деления в клеточном центре E. coli». Текущее мнение в микробиологии . 5 (6): 553–7. DOI : 10.1016 / S1369-5274 (02) 00374-0 . PMID 12457697 . 
  21. ^ Ян Х, Z Лыу, Мигель А, McQuillen R, Хуанг KC, Сяо J (февраль 2017 г.). «Тредмилинг бактериального тубулина, связанный с активностью GTPase, FtsZ организует синтез клеточной стенки перегородки» . Наука . 355 (6326): 744–747. Bibcode : 2017Sci ... 355..744Y . DOI : 10.1126 / science.aak9995 . PMC 5851775 . PMID 28209899 .  
  22. ↑ Bisson-Filho AW, Hsu YP, Squyres GR, Kuru E, Wu F, Jukes C и др. (Февраль 2017 г.). «Беговая дорожка нитями FtsZ стимулирует синтез пептидогликана и деление бактериальных клеток» . Наука . 355 (6326): 739–743. Bibcode : 2017Sci ... 355..739B . DOI : 10.1126 / science.aak9973 . PMC 5485650 . PMID 28209898 .  
  23. ^ Coltharp С, Buss Дж, Пламер ТМ, Сяо J (февраль 2016). «Определение лимитирующих процессов бактериального цитокинеза» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 113 (8): E1044-53. Bibcode : 2016PNAS..113E1044C . DOI : 10.1073 / pnas.1514296113 . PMC 4776500 . PMID 26831086 .  
  24. ^ Гарри EJ (январь 2001). «Согласование репликации ДНК с делением клеток: уроки разрастания спор». Биохимия . 83 (1): 75–81. DOI : 10.1016 / S0300-9084 (00) 01220-7 . PMID 11254978 . 
  25. ^ Роулетт VW, Марголин W (2015). «Система Min и другие нуклеоид-независимые регуляторы позиционирования Z-кольца» . Границы микробиологии . 6 : 478. DOI : 10,3389 / fmicb.2015.00478 . PMC 4429545 . PMID 26029202 .  
  26. ↑ He AS, Rohatgi PR, Hersh MN, Rosenberg SM (февраль 2006 г.). «Роль белков репарации двухцепочечных разрывов E. coli в стресс-индуцированной мутации» . Ремонт ДНК . 5 (2): 258–73. DOI : 10.1016 / j.dnarep.2005.10.006 . PMC 3685484 . PMID 16310415 .  
  27. ^ Мукерджи A, Lutkenhaus J (январь 1998). «Динамическая сборка ФцЗ, регулируемая гидролизом ГТФ» . Журнал EMBO . 17 (2): 462–9. DOI : 10.1093 / emboj / 17.2.462 . PMC 1170397 . PMID 9430638 .  
  28. ↑ Wu LJ, Errington J (июнь 2004 г.). «Координация клеточного деления и сегрегации хромосом с помощью белка окклюзии нуклеоидов в Bacillus subtilis» . Cell . 117 (7): 915–25. DOI : 10.1016 / j.cell.2004.06.002 . PMID 15210112 . 
  29. Перейти ↑ Bernhardt TG, de Boer PA (май 2005 г.). «SlmA, связанный с нуклеоидом, связывающий FtsZ белок, необходимый для блокирования сборки септального кольца над хромосомами в E. coli» . Молекулярная клетка . 18 (5): 555–64. DOI : 10.1016 / j.molcel.2005.04.012 . PMC 4428309 . PMID 15916962 .  
  30. ^ Du S, Lutkenhaus J (июль 2014 г.). «В антагонизме SlmA и FtsZ используется двоякий механизм, такой как MinCD» . PLOS Genetics . 10 (7): e1004460. DOI : 10.1371 / journal.pgen.1004460 . PMC 4117426 . PMID 25078077 .  
  31. ^ Shen B, Lutkenhaus J (март 2010). «Изучение взаимодействия между FtsZ и MinCN в E. coli позволяет предположить, как MinC разрушает Z-кольца» . Молекулярная микробиология . 75 (5): 1285–98. DOI : 10.1111 / j.1365-2958.2010.07055.x . PMID 20132438 . 
  32. ^ Казираги А, Suigo л, Valoti Е, Straniero V (февраль 2020). «Нацеливание на деление бактериальных клеток: сайт-центрированный подход связывания к наиболее многообещающим ингибиторам незаменимого белка FtsZ» . Антибиотики . 9 (2): 69. DOI : 10.3390 / antibiotics9020069 . PMC 7167804 . PMID 32046082 .  
  33. Перейти ↑ Rahman M, Wang P, Wang N, Chen Y (февраль 2020 г.). «Ключевой белок деления бактериальных клеток FtsZ как новая мишень для антибактериального препарата» . Боснийский журнал фундаментальных медицинских наук . 20 (3): 310–318. DOI : 10.17305 / bjbms.2020.4597 . PMC 7416170 . PMID 32020845 .