FtsZ - FtsZ
| Celldelningsprotein FtsZ | |
|---|---|
| Identifierare | |
| Symbol | FtsZ |
| InterPro | IPR000158 |
| CATH | 1fsz |
| SCOP2 | 1fsz / SCOPe / SUPFAM |
| CDD | cd02201 |
| FtsZ, C-terminal smörgås | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Identifierare | |||||||||
| Symbol | FtsZ_C | ||||||||
| Pfam | PF12327 | ||||||||
| InterPro | IPR024757 | ||||||||
| |||||||||
| Celldelningsprotein FtsZ | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Molekylär struktur för FtsZ (PDB 1fsz).
| |||||||
| Identifierare | |||||||
| Organism | |||||||
| Symbol | ftsZ | ||||||
| UniProt | P0A9A6 | ||||||
| |||||||
FtsZ är ett protein som kodas av ftsZ -genen som samlas i en ring vid den framtida platsen för bakteriell celldelning (även kallad Z -ringen ). FtsZ är en prokaryot homolog av det eukaryota proteinet tubulin . Initial FtsZ medelvärdet " F ilamenting t emperature- s ensitive mutant Z ." Hypotesen var att celldelningsmutanter av E. coli skulle växa som filament på grund av att dottercellernas oförmåga att separera från varandra. FtsZ finns i nästan alla bakterier, många archaea, alla kloroplaster och vissa mitokondrier, där det är viktigt för celldelning. FtsZ monterar cytoskelet -ställningen för Z -ringen som, tillsammans med ytterligare proteiner, stänger för att dela upp cellen i två.
Historia
På 1960 -talet undersökte forskare temperaturkänsliga mutationer som blockerade celldelning vid 42 ° C. De mutanta cellerna delade sig normalt vid 30 °, men kunde inte dela sig vid 42 °. Fortsatt tillväxt utan delning gav långa trådformiga celler ( F ilamentering t emperature s ensitive). Flera sådana mutanter upptäcktes och kartlades till ett lokus som ursprungligen hette ftsA, vilket kan vara en eller flera gener . 1980 visade Lutkenhaus och Donachie att flera av dessa mutationer mappade till en gen, ftsA, men en välkarakteriserad mutant, PAT84, ursprungligen upptäckt av Hirota et al, kartlagt till en separat, intilliggande gen. De namngav denna celldelningsgen ftsZ. År 1991 använde Bi och Lutkenhaus immunogold elektronmikroskopi för att visa att FtsZ lokaliserades till det invaginerande septumet vid midcell. Därefter använde Losick- och Margolin-grupperna immunofluorescensmikroskopi och GFP-fusioner för att visa att FtsZ monterade Z-ringar tidigt i cellcykeln, långt innan septumet började sammandragas. Andra uppdelningsproteiner samlas sedan på Z -ringen och förträngning sker i den sista delen av cellcykeln.
År 1992-3 upptäckte tre laboratorier oberoende att FtsZ var relaterat till eukaryot tubulin, vilket är proteinsubenheten som samlas i mikrotubuli. Detta var den första upptäckten att bakterier har homologer av eukaryota cytoskeletala proteiner. Senare arbete visade att FtsZ var närvarande i, och avgörande för, celldelning i nästan alla bakterier och i många men inte alla archaea.
Mitokondrier och kloroplaster är eukaryota organeller som har sitt ursprung som bakteriella endosymbionter, så det var stort intresse för om de använder FtsZ för division. Chloroplast FtsZ upptäcktes först av Osteryoung, och det är nu känt att alla kloroplaster använder FtsZ för division. Mitokondriell FtsZ upptäcktes av bok i en alg; FtsZ används för mitokondriell uppdelning i vissa eukaryoter, medan andra har ersatt det med en dynaminbaserad maskin.
Fungera
Under celldelning är FtsZ det första proteinet som flyttar till delningsstället och är avgörande för att rekrytera andra proteiner som producerar en ny cellvägg ( septum ) mellan de delande cellerna. FtsZ roll i celldelning är analog med tubulin i eukaryot celldelning, men till skillnad från aktin - myosinringen i eukaryoter har FtsZ inget känt motorprotein associerat med det. Ursprunget till den cytokinetiska kraften är således fortfarande oklart, men man tror att den lokaliserade syntesen av ny cellvägg producerar åtminstone en del av denna kraft. I liposomer visade Osawa (2009) att FtsZ kan utöva en kontraktil kraft utan några andra proteiner närvarande.
Erickson (2009) föreslog hur rollerna för tubulinliknande proteiner och aktinliknande proteiner vid celldelning blev omvända i ett evolutionärt mysterium. Användningen av FtsZ -ringen för att dela kloroplaster och vissa mitokondrier etablerar ytterligare deras prokaryota anor. L-formade bakterier som saknar cellvägg kräver inte FtsZ för uppdelning, vilket innebär att bakterier kan ha kvar komponenter i ett förfäder för celldelning.
Mycket är känt om de dynamiska polymerisationsaktiviteterna för tubulin och mikrotubuli , men lite är känt om dessa aktiviteter i FtsZ. Medan det är känt att enkelsträngade tubulin protofilament bildar i 13 stranded mikrotubuli är den flertrådiga strukturen hos FtsZ innehållande Z-ringen inte känd. Det spekuleras bara i att strukturen består av överlappande protofilament. Ändå avslöjade nyligen arbete med renat FtsZ på stödda lipid -dubbelskikt samt avbildning av FtsZ i levande bakterieceller att FtsZ -protofilament har polaritet och rör sig i en riktning genom löpband (se även nedan).
Nyligen har proteiner som liknar tubulin och FtsZ upptäckts i stora plasmider som finns i Bacillus -arter . De antas fungera som komponenter i segrosomer , som är multiproteinkomplex som delar kromosomer/plasmider i bakterier. Plasmidhomologerna av tubulin/FtsZ tycks ha bevarat förmågan att polymerisera till filament.
Den kontraktila ringen ("Z -ringen")
FtsZ har förmågan att binda till GTP och uppvisar också en GTPase -domän som gör att den kan hydrolysera GTP till BNP och en fosfatgrupp. In vivo bildar FtsZ trådar med ett upprepande arrangemang av subenheter, alla arrangerade topp-till-svans. Dessa trådar bildar en ring runt cellens längsgående mittpunkt, eller septum. Denna ring kallas Z-ringen.
GTP -hydrolyseringsaktiviteten hos proteinet är inte väsentlig för bildandet av trådar eller celldelning. Mutanter som är defekta i GTPas -aktivitet delar sig ofta fortfarande, men bildar ibland vridna och störda septa. Det är oklart om FtsZ faktiskt tillhandahåller den fysiska kraft som resulterar i division eller fungerar som en markör för andra proteiner för att utföra division.
Om FtsZ ger kraft som delar cellen kan den göra det genom den relativa rörelsen av subenheter. Datormodeller och in vivo -mätningar tyder på att enstaka FtsZ -filament inte kan hålla en längd som är mer än 30 subenheter lång. I denna modell kommer FtsZ -klyvkraft från den relativa sidorörelsen av subenheter. Linjer av FtsZ skulle radas upp parallellt och dra i varandra och skapa en "sladd" av många strängar som spänner sig.
I andra modeller tillhandahåller FtsZ inte den kontraktila kraften utan ger cellen en rumslig ställning för andra proteiner för att utföra celldelningen. Detta liknar skapandet av en tillfällig struktur av byggnadsarbetare för att komma åt svåråtkomliga platser i en byggnad. Den tillfälliga strukturen tillåter obegränsad åtkomst och säkerställer att arbetarna kan nå alla platser. Om den tillfälliga strukturen inte är korrekt byggd kommer arbetarna inte att kunna nå vissa platser och byggnaden kommer att vara bristfällig.
Ställningsteorin stöds av information som visar att ringens bildning och lokalisering till membranet kräver samordnad verkan av ett antal tillbehörsproteiner. ZipA eller aktinhomologen FtsA tillåter initial FtsZ -lokalisering till membranet. Efter lokalisering till membranet rekryteras divisionproteiner från Fts -familjen för ringmontering. Många av dessa proteiner styr syntesen av den nya divisionens septum vid midcell (FtsI, FtsW) eller reglerar aktiviteten för denna syntes (FtsQ, FtsL, FtsB, FtsN). Tidpunkten för Z-ringbildning antyder möjligheten för en rumslig eller tidsmässig signal som tillåter bildning av FtsZ-filament.
Nyligen bildad superupplösning i flera arter stöder en dynamisk byggnadsmodell, där små kluster av FtsZ-protofilament eller protofilamentbuntar rör sig enriktat runt ringens omkrets genom löpband, förankrat till membranet av FtsA och andra FtsZ-specifika membrantetrar. Löpningshastigheten beror på hastigheten för GTP -hydrolys inom FtsZ -protofilamenten, men i Escherichia coli förblir syntesen av delningsseptumet det hastighetsbegränsande steget för cytokines. Löpbandets verkan av FtsZ krävs för korrekt syntes av delningsseptumet med septala peptidoglykansyntesenzymer, vilket tyder på att dessa enzymer kan spåra filamentens växande ändar.
Septal lokalisering och intracellulär signalering
Bildningen av Z-ringen sammanfaller nära med cellulära processer associerade med replikation. Z-ringbildning sammanfaller med avslutning av genomreplikation i E. coli och 70% av kromosomal replikation i B. subtilis . Tidpunkten för Z-ringbildning antyder möjligheten för en rumslig eller tidsmässig signal som tillåter bildning av FtsZ-filament. I Escherichia coli bildar minst två negativa regulatorer av FtsZ-aggregatet en bipolär gradient, så att den kritiska koncentrationen av FtsZ som krävs för FtsZ-montering är lägst vid mitten av cellen mellan de två segregerande kromosomerna. Denna typ av reglering verkar förekomma hos andra arter som Bacillus subtilis och Caulobacter crescentus . Andra arter, inklusive Streptococcus pneumoniae och Myxococcus xanthus, verkar dock använda positiva regulatorer som stimulerar FtsZ-montering i mitten av cellen.
Kommunicerar nöd
FtsZ -polymerisation är också kopplad till stressorer som DNA -skada . DNA -skada gör att en mängd olika proteiner tillverkas, ett av dem kallas SulA . SulA förhindrar polymerisation och GTPas -aktivitet av FtsZ. SulA utför denna uppgift genom att binda sig till självigenkännande FtsZ-platser. Genom att placera FtsZ kan cellen direkt länka DNA -skador till hämmande celldelning.
Förhindra DNA -skador
Liksom SulA finns det andra mekanismer som förhindrar celldelning som skulle resultera i störd genetisk information som skickas till dotterceller. Hittills har två proteiner identifierats i E. coli och B. subtilis som förhindrar delning över nukleoidregionen: Noc och SlmA . Noc -gen knockouts resulterar i celler som delar sig utan hänsyn till nukleoidregionen , vilket resulterar i dess asymmetriska fördelning mellan dottercellerna. Mekanismen är inte väl förstådd, men tros innefatta sekvestrering av FtsZ, vilket förhindrar polymerisation över nukleoidregionen. Mekanismen som används av SlmA för att hämma FtsZ -polymerisation över nukleoiden är bättre förstått och använder två separata steg. En domän av SlmA binder till en FtsZ -polymer, sedan avskiljer en separat domän för SlmA polymeren. En liknande mekanism antas användas av MinC, en annan hämmare av FtsZ -polymerisation involverad i positionering av FtsZ -ringen.
Klinisk signifikans
Antalet multiresistenta bakteriestammar ökar för närvarande; Därför är det angeläget att fastställa läkemedelsmål för utveckling av nya antimikrobiella läkemedel. FtsZ potentiella roll i blockeringen av celldelning, tillsammans med dess höga grad av bevarande över bakteriearter, gör FtsZ till ett mycket attraktivt mål för utveckling av nya antibiotika. Forskare har arbetat med syntetiska molekyler och naturprodukter som hämmare av FtsZ.
