Множественные АТФазы ParA/MinD координируют расположение разнородных грузов в бактериальной клетке.

Nature Communications, том 14, номер статьи: 3255 (2023) Цитировать эту статью

5 Альтметрика

Подробности о метриках

У эукариот линейные моторные белки управляют внутриклеточным транспортом и организацией. У бактерий, у которых линейные моторы, участвующие в пространственной регуляции, отсутствуют, семейство АТФаз ParA/MinD организует множество клеточных грузов на генетической и белковой основе. Позиционирование этих грузов было независимо исследовано в различной степени у нескольких видов бактерий. Однако остается неясным, как множественные АТФазы ParA/MinD могут координировать расположение различных грузов в одной и той же клетке. Здесь мы обнаружили, что более трети секвенированных бактериальных геномов кодируют несколько АТФаз ParA/MinD. Мы идентифицируем организм (Halothiobacillus neapolitanus) с семью АТФазами ParA/MinD, демонстрируем, что каждая из пяти из них предназначена для пространственной регуляции одного клеточного груза, и определяем потенциальные детерминанты специфичности для каждой системы. Кроме того, мы показываем, как эти реакции позиционирования могут влиять друг на друга, подчеркивая важность понимания того, как транспорт органелл, сегрегация хромосом и деление клеток координируются в бактериальных клетках. В совокупности наши данные показывают, как несколько АТФаз ParA/MinD сосуществуют и функционируют, позиционируя разнообразный набор основных грузов в одной и той же бактериальной клетке.

Актиновые нити, микротрубочки и линейные моторные белки, идущие вдоль них, хорошо известны своей пространственной организацией в эукариотических клетках. Однако у бактерий, где линейные моторы, участвующие в позиционировании, отсутствуют, широко распространенное семейство АТФаз ParA/MinD (A/D) пространственно организует плазмиды, хромосомы и ряд белковых органелл, многие из которых имеют основополагающее значение для выживания клеток. и патогенез. На сегодняшний день двумя наиболее изученными АТФазами (и тезками семейства) являются ParA, участвующий в разделении плазмид и сегрегации хромосом1,2, и MinD, участвующий в позиционировании дивизом3. Менее изучен растущий список A/D-АТФаз, широко распространенных среди прокариот, участвующих в пространственной регуляции разнообразных белковых органелл, таких как бактериальные микрокомпартменты (BMC)4,5, жгутики6,7, кластеры хемотаксиса8,9 и механизмы конъюгации10.

Несмотря на такое разнообразие грузов, A/D-АТФазы имеют ряд общих черт: (i) все они образуют АТФ-сэндвич-димеры11, (ii) димеризация образует интерфейс для связывания позиционирующей матрицы — нуклеоида для ParA-подобных АТФаз12,13 или внутренняя мембрана для MinD-подобных АТФаз14,15, и (iii) димеризация также образует сайт связывания для родственного белка-партнера, который соединяет АТФазу с ее грузом и стимулирует ее высвобождение из позиционирующего матрикса. Например, при сегрегации хромосом партнером ParA является ParB, который загружается на центромероподобный сайт, называемый parS, с образованием массивного комплекса на хромосоме вблизи начала репликации (OriC)2. Этот комплекс ParB-parS локально стимулирует активность ParA-АТФазы и высвобождение нуклеоида, что генерирует градиенты ParA на нуклеоиде. Сегрегация сестринских хромосом происходит, когда комплекс ParB-parS преследует связанные с нуклеоидом градиенты ParA в противоположных направлениях16. Следовательно, в отличие от аппарата митотического веретена, используемого при сегрегации хромосом эукариот, прокариоты используют принципиально иной способ пространственной организации — A/D-АТФазы создают волны на биологических поверхностях, чтобы позиционировать соответствующие грузы.

Сегрегация хромосом, позиционирование деления клеток и реакции перемещения органелл независимо исследовались в различной степени у нескольких прокариот. Тем не менее, остается неизвестным, сколько A/D-АТФаз может быть закодировано в одной бактерии для позиционирования множества разрозненных грузов, или как бактерии пространственно-временно координируют расположение такого разнообразного набора фундаментальных грузов в одной и той же клетке. Кроме того, механистические вариации и детерминанты специфичности, которые управляют расположением такого разнообразного набора клеточных грузов, остаются неясными. Это связано с тем, что реакции позиционирования на основе A/D обычно изучаются независимо друг от друга и на модельных бактериях с небольшим количеством A/D-АТФаз.