FtsZ

Estrutura molucular da proteína FtsZ.

A FtsZ é unha proteína bacteriana codificada no xene ftsZ que se ensambla formando un anel no lugar onde se formará o septo que divide a célula bacteriana durante a súa división celular. Esta proteína é un homólogo procariota da proteína eucariótica tubulina. O nome FtsZ procede do inglés "Filamenting temperature-sensitive mutant Z" (mutante sensible á temperatura filamentante Z). A hipótese sobre estes mutantes de Escherichia coli que tiñan alterada a división celular era que crecerían como filamentos debido á incapacidade das células fillas de separarse unha da outra.

Historia

O descubrimento do citoesqueleto bacteriano é bastante recente. A FtsZ foi a primeira proteína do citoesqueleto procariota que se identificou.

O xene desta proteína foi descuberto na década de 1950 por Y. Hirota e os seus colegas nun exame de mutantes para a división celular bacteriana.^[1] En 1991 Erfei Bi e Joseph Lutkenhaus demostraron que a FtsZ se ensamblaba formando un anel Z.

No musgo Physcomitrella patens existe un xene para a FtsZ, que está codificado no núcleo e é necesario para a división do cloroplasto, e foi a primeira proteína que se identificou que era esencial para a división dun orgánulo (ver musgo knockout).^[2]

Función

Durante a división celular, a FtsZ é a primeira proteína que se despraza ao sitio de división, e é esencial para recrutar outras proteínas que producen a nova parede celular entre as células en división. O papel da FtsZ na división celular é análogo ao da actina na división da célula eucariótica, pero, a diferenza do anel de actina-miosina dos eucariotas, a FtsZ non ten proteínas motoras asociadas con ela. A orixe da forza citocinética non está aclarado, pero crese que a síntese localizada da nova parede celular produce polo menos parte desa forza. En liposomas Osawa (2009) demostrou que a FtsZ ten a capacidade de exercer unha forza contráctil sen que estea presente ningunha outra proteína.^[3]

Erickson (2009) propuxo unha maneira que explica como as proteínas de tipo tubulina e as de tipo actina inverteron o seu papel na división celular, o cal se consideraba un misterio evolutivo.^[4] A utilización do anel de FtsZ na división dos cloroplastos e algunhas mitocondrias reforza a idea de que teñen un antepasado procariota. É interesante notar que nas formas L bacterianas que carecen de parede celular non cómpre FtsZ para a división, o cal implica que as bacterias puideron reter compoñentes correspondentes a un modo ancestral de división celular.^[5]

Sábese moito sobre as actividades de polimerización dinámica da tubulina e dos microtúbulos, pero pouco sobre estas actividades na FtsZ. Os protofilamentos dunha febra de tubulina forman microtúbulos de 13 febras, pero a estrutura de multifebras do anel Z que contén FtsZ non se coñece. Especúlase que podería consistir en filamentos solapados.

Recentemente, descubríronse proteínas similares á tubulina e á FtsZ en grandes plásmidos de especies de Bacillus. Crese que funcionan como compoñentes dos segrosomas, que son complexos multiproteínicos que separan os cromosomas/plásmidos en bacterias. Os homólogos nos plásmidos da tubulina/FtsZ parece que conservaron a capacidade de polimerizarse formando filamentos.

O anel contráctil

A FtsZ ten a capacidade de unirse á GTP e tamén presenta un dominio GTPase co que pode hidrolizar o GTP a GDP e fosfato. In vivo, a FtsZ forma filamentos cunha disposición repetida de subunidades, todas colocadas cabeza con cola.^[6] Estes filamentos forman un anel arredor do punto medio lonxitudinal ou septo da célula. Este anel denomínase anel Z.

A actividade de hidrólise do GTP da proteína non é esencial para a formación de filamentos ou a división. Os mutantes que carecen do dominio GTPase forman septos retortos e desordenados.^[7] Estas células con septos irregulares poden malia todo dividirse, aínda que o fan de forma anormal. Non está claro como fai a FtsZ para proporcionar a forza física que dá lugar á división ou como serve de marcador para que outras proteínas executen a división.

O anel Z fórmase a partir de pequenas subunidades de filamentos FtsZ. Estes filamentos poden empurrarse uns a outros e estirarse para dividir a célula.

Se a FtsZ proporciona a forza para que se divida a célula, podería facer o mesmo co movemento relativo das subunidades. Os modelos por computadora e as medidas in vivo suxiren que un filamento de FtsZ só non pode manter un tamaño de máis de 30 subunidades de longo. Neste modelo, a forza de escisión da FtsZ procede do movemento latreral relativo das subunidades.^[8] Febras de FtsZ aliñaríanse paralelas e empurraríanse unhas a outras creando unha "corda" de moitas febras que se tensa a si mesma.

Noutros modelos, a FtsZ non proporciona a forza contráctil senón que proporciona á célula o armazón espacial para que outras proteínas executen a división da célula. Isto é semellante a crear unha estrutura temporal como a que levantan os traballadores da construción para acceder ás partes ás que é difícl chegar nun edificio. A estrutura temporal permite o libre acceso e asegura que os traballadores poidan chegar a todas os lugares. Se a estrutura temporal non se constrúe correctamente, os traballadores non poderán chegar a certas partes e a construción será deficiente.

A teoría do armazón ou estadal está apoiada por informacións que mostran que a formación do anel e a localización na membrana require a acción concertada de varias proteínas accesorias. A proteína ZipA ou a proteína homóloga da actina FtsA permiten que a FtsZ se sitúe inicialmente na membrana.^[9] Despois de situarse na membrana, recrútanse proteínas da división da familia da Fts para a ensamblaxe do anel.^[10] Moitas destas proteínas, como FtsW, FtsK, e FtsQ están implicadas na estabilización do anel Z e poden tamén ser participantes activos na escisión.

Localización septal e sinalización intracelular

A formación do anel Z coincide estreitamente cos procesos celulares asociados coa replicación. A formación do anel Z coincide coa terminación da replicación do xenoma en Escherichia coli e co 70% da replicación do cromosoma en B. subtilis.^[11] A temporalización da formación do anel Z suxire a posibilidade de que haxa un sinal espacial ou temporal que permita a formación de filamentos de FtsZ. Actualmente, hai varios modelos e mecanismos que regulan a formación de aneis Z.

O sistema Min

A proteína FtsZ e as súas funcións e mecanismo relacionados interaccionan directamente cos tres compoñentes principais do sistema Min: MinC, MinD, e MinE. Un modelo de formación do anel Z permite a súa formación só despois de que se produce un certo sinal espacial que lle indica á célula que é grande dabondo como para dividirse.^[12] A polimerización da FtsZ está estreitamente ligada á familia de proteínas Min, que foron todas elas descubertas en mutantes de E. coli que non podían producir un septo correctamente situado.^[13] Hipotetízase que as proteínas Min, que deben impedir que o anel de FtsZ se sitúe preto da parte media da célula e da rexión do nucleoide, están implicadas no mecanismo regulador espacial que liga o incremento de tamaño previo á división celular coa polimerización de FtsZ no medio da célula.

Comunicación de estreses

A polimerización da FtsZ está tamén ligada a estresantes como os danos no ADN. Os danos no ADN inducen a produción de varias proteínas, unha das cales é SulA.^[14] A proteína SulA impide a polimerización e a actividade GTPase da FtsZ. A SulA realiza esta tarefa ao unirse a sitios de autorrecoñecemento da FtsZ. Ao secuestrar a FtsZ, a célula pode ligar directamente os danos no ADN coa inhibición da división celular.^[15]

Prevención de danos no ADN

Ademais do de SulA, hai outrros mecanismos que impiden unha división celular incorrecta que daría lugar a que se cedese ás células fillas unha información xenética alterada. Ata agora identificáronse en E. coli e B. subtilis dúas proteínas que impiden a división na rexión do nucleoide, chamadas Noc e SlmA. Os knockouts de xenes de Noc fan que a célula non se divida con respecto á rexión do nucleoide, o que dá lugar a unha división asimetrica entre as células fillas. O mecanismo non se comprende ben, pero pénsase que implica o secuestro da FtsZ, que impide a polimerización na rexión do nucleoide.^[16] Observouse que SlmA, igual que SulA, secuestran a FtsZ, impedindo a formación do anel Z polimerizado na rexión do nucleoide.^[17]

Notas

1. Ishikawa,Hajime;Kuroiwa,Tsuneyoshi;Nagata,Kazuhiro. (2005). 『細胞生物学事典』. 朝倉書店. pp. 159–160. ISBN 978-4-254-17118-1. 
2. R. Strepp, S. Scholz, S. Kruse, V. Speth, R. Reski (1998): Plant nuclear gene knockout reveals a role in plastid division for the homolog of the bacterial cell division protein FtsZ, an ancestral tubulin. Proceedings of the National Academy of Science USA 95: 4368–4373.
3. Masaki Osawa, David E. Anderson, and Harold P. Erickson (2009). "Reconstitution of Contractile FtsZ Rings in Liposomes". Science 320 (7): 792–4. PMC 2645864. PMID 18420899. doi:10.1126/science.1154520. 
4. Erickson, Harold P. (2007). "Evolution of the cytoskeleton". BioEssays 29 (7): 668–77. PMC 2630885. PMID 17563102. doi:10.1002/bies.20601. 
5. Leaver M, Domínguez-Cuevas P, Coxhead JM, Daniel RA, Errington J (febreiro de 2009). "Life without a wall or division machine in Bacillus subtilis". Nature 457 (7231): 849–853. PMID 19212404. doi:10.1038/nature07742. 
6. Desai A, Mitchison TJ (1997). "Microtubule polymerization dynamics". Annu Rev Cell Dev Biol 13: 83–117. PMID 9442869. doi:10.1146/annurev.cellbio.13.1.83. 
7. Bi EF, Lutkenhaus J (1991). "FtsZ ring structure associated with division in Escherichia coli". Nature 354 (3–5): 161–164. PMID 1944597. doi:10.1038/354161a0. 
8. Lan G, Debrowsky TM, Daniels BR, Wirtz D, Sun SX. (2009). "Condensation of FtsZ can Drive Bacterial Cell Division". Proc. Natl. Acad. Sci. 106 (1): 121–126. PMC 2629247. PMID 19116281. doi:10.1073/pnas.0807963106. 
9. Pichoff S, Lutkenhaus J (2005). "Tethering the Z ring to the membrane through a conserved membrane targeting sequence in FtsA". Mol Microbiol 55 (6): 1722–1734. PMID 15752196. doi:10.1111/j.1365-2958.2005.04522.x. 
10. Buddelmeijer N, Beckwith J (2002). "Assembly of cell division proteins at the E. coli cell center". Current Opinion in Microbiology 5 (6): 553–557. PMID 12457697. doi:10.1016/S1369-5274(02)00374-0. 
11. Harry EJ (2001). "Coordinating DNA replication with cell division: lessons from outgrowing spores". Biochimie 83 (1): 75–81. PMID 11254978. doi:10.1016/S0300-9084(00)01220-7. 
12. Weart RB, Levin PA (2003). "Growth Rate-Dependent Regulation of Medial FtsZ Ring Formation". J Bacteriol 185 (9): 2826–2834. PMC 154409. PMID 12700262. doi:10.1128/JB.185.9.2826-2834.2003. 
13. De Boer PA, Crossley RE, Rothfield LI (1989). "A division inhibitor and a topological specificity factor coded for by the minicell locus determine proper placement of the division septum in E. coli". Cell 56 (4): 641–649. PMID 2645057. doi:10.1016/0092-8674(89)90586-2. 
14. He AS, Rohatgi PR, Hersh MN, Rosenberg SM (2006). "Roles of E. coli double-strand-break-repair proteins in stress-induced mutation". DNA Repair 5 (2): 258–273. PMID 16310415. doi:10.1016/j.dnarep.2005.10.006. 
15. Mukherjee A, Lutkenhaus J (1998). "Dynamic assembly of FtsZ regulated by GTP hydrolysis". The EMBO Journal 17 (2): 462–469. PMC 1170397. PMID 9430638. doi:10.1093/emboj/17.2.462. 
16. Wu LJ, Errington J (2006). "Coordination of cell division and chromosome segregation by a nucleoid occlusion protein in Bacillus subtilis". Cell 117 (7): 915–925. PMID 15210112. doi:10.1016/j.cell.2004.06.002. 
17. Bernhardt TG, de Boer PA (2005). "SlmA, a nucleoid-associated, FtsZ-binding protein required for blocking septal ring assembly over chromosomes in E. coli". Mol Cell 18 (5): 555–564. PMID 15916962. doi:10.1016/j.molcel.2005.04.012. 

Véxase tamén

Bibliografía

1. Chen JC, Weiss DS, Ghigo JM, Beckwith J (15 de xaneiro de 1999). "Septal Localization of FtsQ, an Essential Cell Division Protein in Escherichia coli". J. Bacteriol. 181 (2): 521–30. PMC 93406. PMID 9882666. Arquivado dende o orixinal o 16 de outubro de 2019. Consultado o 08 de xullo de 2014. 
2. Löwe J, Amos LA (xaneiro de 1998). "Crystal structure of the bacterial cell-division protein FtsZ". Nature 391 (6663): 203–6. PMID 9428770. doi:10.1038/34472. 
3. Romberg L, Levin PA (2003). "Assembly dynamics of the bacterial cell division protein FTSZ: poised at the edge of stability". Annu. Rev. Microbiol. 57: 125–54. PMID 14527275. doi:10.1146/annurev.micro.57.012903.074300. 
4. Scheffers D, Driessen AJ (setembro de 2001). "The polymerization mechanism of the bacterial cell division protein FtsZ". FEBS Lett. 506 (1): 6–10. PMID 11591361. doi:10.1016/S0014-5793(01)02855-1. 
5. van den Ent F, Amos L, Löwe J (decembro de 2001). "Bacterial ancestry of actin and tubulin". Current Opinion in Microbiology 4 (6): 634–8. PMID 11731313. doi:10.1016/S1369-5274(01)00262-4. 
6. Mendieta J, Rico AI, López-Viñas E, Vicente M, Mingorance J, Gómez-Puertas P (maio de 2009). "Structural and Functional Model for Ionic (K+/Na+) and pH Dependence of GTPase Activity and Polymerization of FtsZ, the Prokaryotic Ortholog of Tubulin". Journal of Molecular Biology. 390: 17–25. PMID 19447111. doi:10.1016/j.jmb.2009.05.018. 
7. Mingorance J, Rivas G, Vélez, M, Gómez-Puertas P, Vicente M (Aug 2011). "Strong FtsZ is with the force: mechanisms to constrict bacteria". Trends in Microbiology. 18: 348–56. PMID 20598544. doi:10.1016/j.tim.2010.06.001.