Плазмидная система разделов
Плазмидная система распределения — это механизм, обеспечивающий стабильное наследование плазмид во время деления бактериальных клеток. Каждая плазмида имеет свою независимую систему репликации, которая контролирует количество копий плазмиды в клетке. Чем выше число копий, тем больше вероятность того, что две дочерние клетки будут содержать плазмиду. Как правило, каждая молекула плазмиды диффундирует случайным образом, поэтому вероятность появления дочерней клетки без плазмиды равна 2. 1-N , где N — количество копий. Например, если в клетке есть 2 копии плазмиды, вероятность появления одной дочерней клетки без плазмиды составляет 50%. Однако плазмиды с высоким числом копий имеют свою цену для клетки-хозяина. Эта метаболическая нагрузка ниже для плазмид с низкой копией, но у них более высокая вероятность потери плазмиды через несколько поколений. Чтобы контролировать вертикальную передачу плазмид, в дополнение к системам контролируемой репликации, бактериальные плазмиды используют различные стратегии поддержания, такие как системы разрешения мультимеров , системы постсегрегационного уничтожения (модули пристрастия) и системы разделения. [ 1 ]
Общие свойства систем перегородок
[ редактировать ]Копии плазмиды спариваются вокруг центромероподобного сайта, а затем разделяются в двух дочерних клетках. Системы разделов включают в себя три элемента, организованных в авторегулируемый оперон : [ 2 ]
- Центромероподобный участок ДНК
- Центромерсвязывающие белки (CBP)
- Двигательный белок
Центромероподобный участок ДНК необходим в цис-состоянии для стабильности плазмиды. Он часто содержит один или несколько инвертированных повторов, которые распознаются несколькими CBP. Это образует нуклеопротеиновый комплекс, называемый разделительным комплексом. Этот комплекс задействует двигательный белок — нуклеотидтрифосфатазу (НТФазу). НТФаза использует энергию связывания и гидролиза NTP для прямого или косвенного перемещения и прикрепления плазмид к определенному месту хозяина (например, к противоположным полюсам бактериальных клеток).
Системы разделов делятся на четыре типа, в зависимости от типа NTPases: [ 3 ] [ 4 ]
- Тип I: АТФаза P-петли типа Уокера.
- Тип II: актинподобная АТФаза.
- Тип III: тубулинподобная ГТФаза.
- Тип IV: Нет НТФазы.
| Тип | Моторный белок (НТФаза) | Центромерсвязывающий белок (CBP) | Центромероподобный сайт связывания | Другие белки |
|---|---|---|---|---|
| Тип I | К | ПарБ или ПарГ | parS (Ia) или parC (Ib) | |
| Тип II | ПарМ | ПарР | парк | |
| Тип III | ТубЗ | ТубР | ВАНДЫ | ТубY |
Система перегородок типа I
[ редактировать ]Эта система также используется большинством бактерий для разделения хромосом . [ 3 ] Системы перегородок типа I состоят из АТФазы, которая содержит мотивы Уокера , и CBP, который структурно различен в типах Ia и Ib. АТФазы и CBP типа Ia длиннее, чем Ib типа, но оба CBP содержат аргининовый палец в своей N-концевой части. [ 5 ] [ 1 ] [ 6 ] Белки ParA из разных плазмид и видов бактерий на 25–30% идентичны последовательностям белка ParA плазмиды P1 . [ 7 ] В перегородке системы I типа используется механизм «диффузионно-храповой». Этот механизм работает следующим образом: [ 8 ]
- Димеры ParA-АТФ динамически связываются с нуклеоидной ДНК. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]
- ParA в состоянии, связанном с АТФ, взаимодействует с ParB, связанным с parS. [ 13 ]
- ParB, связанный с parS, стимулирует высвобождение ParA из нуклеоидной области, окружающей плазмиду. [ 14 ]
- Затем плазмида преследует образовавшийся градиент ParA по периметру области нуклеоида, обедненной ParA.
- ParA, высвободившийся из нуклеоида в результате движения плазмиды, после задержки перераспределяется в другие области нуклеоида. [ 15 ]
- После репликации плазмиды сестринские копии разделяются на противоположные половины клетки, преследуя ParA на нуклеоиде в противоположных направлениях.
Вероятно, существуют различия в деталях механизмов типа I. [ 6 ]
Раздел типа 1 был математически смоделирован с вариациями механизма, описанного выше. [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]
Тип Iа
[ редактировать ]CBP этого типа состоит из трех доменов: [ 6 ]
- N-концевой домен связывания НТФазы
- Домен Центральная спираль-поворот-спираль (HTH) [ 20 ]
- С-концевой димерный домен [ 21 ]
Тип Ib
[ редактировать ]CBP этого типа, также известный как parG, состоит из: [ 6 ]
- N-концевой домен связывания НТФазы
- Домен Рибон-Спираль-Спираль (RHH)
Для этого типа сайт parS называется parC .
Система перегородок II типа
[ редактировать ]Эта система является наиболее изученной из систем плазмидного разделения. [ 6 ] Он состоит из актиноподобной АТФазы ParM и CBP, называемого ParR. Центромероподобный сайт parC содержит два набора из пяти прямых повторов по 11 пар оснований, разделенных промотором parMR . Идентичность аминокислотной последовательности между ParM и другой актиноподобной АТФазой может снижаться до 15%. [ 7 ] [ 22 ]
Используемый здесь механизм разделения представляет собой механизм толкания: [ 23 ]
- ParR связывается с parC и образует пары плазмид, которые образуют нуклеопротеиновый комплекс или разделительный комплекс.
- Разделительный комплекс служит точкой зарождения полимеризации ParM; Комплекс ParM-ATP вставляется в эту точку и раздвигает плазмиды.
- Вставка приводит к гидролизу комплекса ParM-АТФ, что приводит к деполимеризации нити.
- При делении клеток копии плазмид находятся на каждом конце клетки и попадают в будущую дочернюю клетку.
Филамент ParM регулируется посредством полимеризации, допускаемой наличием разделительного комплекса (ParR- parC ), и деполимеризации, контролируемой АТФазной активностью ParM.
Система перегородок типа III
[ редактировать ]Система разделов типа III — это самая недавно обнаруженная система разделов. Он состоит из тубулиноподобной ГТФазы, называемой TubZ, а CBP называется TubR. Идентичность аминокислотной последовательности для белков TubZ может снижаться до 21%. [ 7 ]
Механизм аналогичен механизму беговой дорожки: [ 24 ]
- Множественный димер TubR связывается с центромероподобной областью stbDRs плазмиды.
- Контакт между TubR и нитью бегового полимера TubZ. Субъединицы TubZ теряются с конца - и добавляются к концу +.
- Комплекс TubR-плазмида тянется вдоль растущего полимера, пока не достигнет полюса клетки.
- Взаимодействие с мембраной, вероятно, приведет к высвобождению плазмиды.
Конечным результатом является транспортировка перегородочного комплекса к полюсу клетки.
Другие системы перегородок
[ редактировать ]Система перегородок R388
[ редактировать ]Система разделов плазмиды R388 обнаружена в опероне stb . Этот оперон состоит из трех генов: stbA , stbB и stbC . [ 25 ]
- Белок StbA представляет собой ДНК-связывающий белок (идентичный ParM ) и строго необходим для стабильности и внутриклеточного позиционирования плазмиды R388 в E. coli . StbA связывает цис -действующую последовательность, stbDR .
Комплекс StbA - stbDRs можно использовать для спаривания плазмиды с хромосомой хозяина, косвенно используя бактериальную систему разделения.
- Белок StbB имеет мотив АТФазы типа Уокера, он способствует конъюгации, но не требуется для стабильности плазмиды на протяжении поколений.
- StbC является белком-сиротой с неизвестной функцией. StbC, похоже, не участвует ни в секционировании, ни в сопряжении.
StbA и StbB имеют противоположный, но связанный эффект, связанный с конъюгацией.
Было предложено, чтобы эта система представляла собой систему перегородок типа IV. [ 26 ] Считается, что это производная от системы разделов типа I, учитывая аналогичную организацию оперонов. Эта система представляет собой первое свидетельство механистического взаимодействия между процессами сегрегации плазмид и конъюгации. [ 26 ]
система разделов pSK1 (рассмотрена в [ 1 ] )
[ редактировать ]pSK1 представляет собой плазмиду Staphylococcus aureus . Эта плазмида имеет систему распределения, определяемую одним геном par , ранее известным как orf245 . Этот ген не влияет ни на количество копий плазмиды, ни на скорость роста (исключая его участие в системе постсегрегационного уничтожения). Центромероподобная связывающая последовательность расположена выше гена par и состоит из семи прямых повторов и одного инвертированного повтора.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Дмовский М., Ягура-Бурдзы Г. (2013). «Активные стабильные функции поддержания в плазмидах с низким числом копий грамположительных бактерий I. Системы раздела» (PDF) . Польский журнал микробиологии / Polskie Towarzystwo Mikrobiologów = Польское общество микробиологов . 62 (1): 3–16. ПМИД 23829072 .
- ^ Фридман С.А., Остин С.Дж. (1988). «Система разделения плазмиды P1 синтезирует два основных белка из саморегулируемого оперона» . Плазмида . 19 (2): 103–12. дои : 10.1016/0147-619X(88)90049-2 . ПМИД 3420178 .
- ^ Jump up to: а б Гердес К., Мёллер-Йенсен Дж., Бугге Йенсен Р. (2000). «Распределение плазмид и хромосом: сюрпризы филогении» . Молекулярная микробиология . 37 (3): 455–66. дои : 10.1046/j.1365-2958.2000.01975.x . ПМИД 10931339 .
- ^ Буэ, Жан-Ив; Фаннелл, Барбара Э. (19 июня 2019 г.). «Локализация и разделение плазмид у Enterobacteriaceae» . ЭкоСал Плюс . 8 (2). doi : 10.1128/ecosalplus.ESP-0003-2019 . ISSN 2324-6200 . ПМИД 31187729 .
- ^ А-Сенг, Ю; Лейн, Д; Паста, Ф; Лейн, Д; Буэ, JY (2009). «Двойная роль ДНК в регуляции гидролиза АТФ разделительным белком SopA» . Журнал биологической химии . 70 (44): 30067–75. дои : 10.1074/jbc.M109.044800 . ПМЦ 2781561 . ПМИД 19740757 .
- ^ Jump up to: а б с д и Шумахер М.А. (2012). «Механизм разделения бактериальных плазмид: минималистский подход к выживанию» . Современное мнение в области структурной биологии . 22 (1): 72–9. дои : 10.1016/j.sbi.2011.11.001 . ПМЦ 4824291 . ПМИД 22153351 .
- ^ Jump up to: а б с Чен Ю, Эриксон Х.П. (2008). «Исследования сборки in vitro FtsZ/тубулиноподобных белков (TubZ) из плазмид Bacillus: доказательства механизма кэпирования» . Журнал биологической химии . 283 (13): 8102–9. дои : 10.1074/jbc.M709163200 . ПМК 2276378 . ПМИД 18198178 .
- ^ Бадринараянан, Анджана; Ле, Тунг Б.К.; Лауб, Майкл Т. (13 ноября 2015 г.). «Организация и сегрегация бактериальных хромосом» . Ежегодный обзор клеточной биологии и биологии развития . 31 : 171–199. doi : 10.1146/annurev-cellbio-100814-125211 . ISSN 1530-8995 . ПМЦ 4706359 . ПМИД 26566111 .
- ^ Буэ, JY; А-Сенг, Ю; Бенмеради, Н.; Лейн, Д. (2007). «Полимеризация АТФазы раздела SopA: регуляция путем связывания ДНК и SopB» . Молекулярная микробиология . 63 (2): 468–81. дои : 10.1111/j.1365-2958.2006.05537.x . ПМИД 17166176 .
- ^ Кастен, JP; Буэ, JY; Лейн, Д. (2008). «Разделение F-плазмиды зависит от взаимодействия SopA с неспецифической ДНК» . Молекулярная микробиология . 70 (4): 1000–11. дои : 10.1111/j.1365-2958.2008.06465.x . ПМИД 18826408 . S2CID 26612131 .
- ^ Хван, Лин Чин; Веккьярелли, Энтони Дж.; Хан, Ён Вун; Мизуути, Митиё; Харада, Йоши; Фуннелл, Барбара Э.; Мизуути, Киёси (2 мая 2013 г.). «ParA-опосредованное разделение плазмиды, обусловленное самоорганизацией белкового паттерна» . Журнал ЭМБО . 32 (9): 1238–1249. дои : 10.1038/emboj.2013.34 . ISSN 1460-2075 . ПМЦ 3642677 . ПМИД 23443047 .
- ^ Веккьярелли, Энтони Дж.; Хван, Лин Чин; Мизуути, Киёси (9 апреля 2013 г.). «Бесклеточное исследование распределения F-плазмиды доказывает, что груз транспортируется по диффузионно-храповому механизму» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 110 (15): E1390–1397. Бибкод : 2013PNAS..110E1390V . дои : 10.1073/pnas.1302745110 . ISSN 1091-6490 . ПМЦ 3625265 . ПМИД 23479605 .
- ^ Буэ, JY; Фуннелл, Бельгия (1999). «P1 ParA взаимодействует с комплексом разделов P1 в parS, а переключатель ATP-ADP контролирует деятельность ParA» . ЭМБО Дж . 18 (5): 1415–24. дои : 10.1093/emboj/18.5.1415 . ПМЦ 1171231 . ПМИД 10064607 .
- ^ Веккьярелли, Энтони Дж.; Нойман, Кейр К.; Мизуути, Киёси (01 апреля 2014 г.). «Распространяющийся градиент АТФазы стимулирует транспортировку клеточного груза, ограниченного поверхностью» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (13): 4880–4885. Бибкод : 2014PNAS..111.4880V . дои : 10.1073/pnas.1401025111 . ISSN 1091-6490 . ПМЦ 3977271 . ПМИД 24567408 .
- ^ Веккьярелли, Энтони Дж.; Хан, Ён Вун; Тан, Синь; Мизучи, Мичиган; Гирландо, Родольфо; Биртюмпфель, Кристиан; Фуннелл, Барбара Э.; Мизути, Киёси (18 августа 2010 г.). «АТФ-контроль динамических взаимодействий P1 ParA-ДНК: ключевая роль нуклеоида в разделе плазмиды» . Молекулярная микробиология . 78 (1): 78–91. дои : 10.1111/j.1365-2958.2010.07314.x . ISSN 0950-382X . ПМЦ 2950902 . ПМИД 20659294 .
- ^ Ху, Лунхуа; Веккьярелли, Энтони Дж.; Мизуути, Киёси; Нойман, Кейр К.; Лю, Цзянь (08 декабря 2015 г.). «Направленное и упорное движение возникает из-за механохимии системы ParA/ParB» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 112 (51): E7055–64. Бибкод : 2015PNAS..112E7055H . дои : 10.1073/pnas.1505147112 . ISSN 1091-6490 . ПМЦ 4697391 . ПМИД 26647183 .
- ^ Веккьярелли, Энтони Дж.; Сеол, Йони; Нойман, Кейр К.; Мизуути, Киёси (01 января 2014 г.). «Двигающийся градиент ParA на нуклеоиде управляет внутриклеточным транспортом грузов посредством силы хемофореза» . Биоархитектура . 4 (4–5): 154–159. дои : 10.4161/19490992.2014.987581 . ISSN 1949-100Х . ПМЦ 4914017 . ПМИД 25759913 .
- ^ Итсварт, Роберт; Сзарденингс, Флориан; Гердес, Кенн; Ховард, Мартин (01 декабря 2014 г.). «Конкурирующий ParA одинаково структурирует бактериальные плазмиды по нуклеоиду» . PLOS Вычислительная биология . 10 (12): e1004009. Бибкод : 2014PLSCB..10E4009I . дои : 10.1371/journal.pcbi.1004009 . ISSN 1553-7358 . ПМК 4270457 . ПМИД 25521716 .
- ^ Уолтер, Джей Си; Дориньяк, Ж; Лорман, В.; Речь, Дж; Буэ, JY; Ноллманн, М; Палмери, Дж; Пармеджиани, А; Женье, Ф (2017). «Серфинг на белковых волнах: протеофорез как механизм разделения бактериального генома». Письма о физических отзывах . 119 (28101): 028101.arXiv : 1702.07372 . Бибкод : 2017PhRvL.119b8101W . doi : 10.1103/PhysRevLett.119.028101 . ПМИД 28753349 . S2CID 6762277 .
- ^ Санчес, Аврора; Реч, Жером; Гаск, Сириэль; Буэ, Жан-Ив (март 2013 г.). «Понимание свойств белков ParB, связывающих центромеры: мотив вторичного связывания необходим для поддержания бактериального генома» . Исследования нуклеиновых кислот . 41 (5): 3094–3103. дои : 10.1093/нар/gkt018 . ISSN 1362-4962 . ПМЦ 3597684 . ПМИД 23345617 .
- ^ Сёртиз, Дженнифер А.; Фаннелл, Барбара Э. (1999). «Доменная структура P1 ParB включает два независимых домена мультимеризации» . Журнал бактериологии . 181 (19): 5898–5908. дои : 10.1128/jb.181.19.5898-5908.1999 . ISSN 1098-5530 . ПМЦ 103615 . ПМИД 10498700 .
- ^ Ганнинг П.В., Гошдастидер Ю., Уитакер С., Попп Д., Робинсон Р.К. (2015). «Эволюция композиционно и функционально различных актиновых нитей» . J Cell Sci . 128 (11): 2009–19. дои : 10.1242/jcs.165563 . ПМИД 25788699 .
- ^ Мёллер-Йенсен Дж., Борх Дж., Дам М., Йенсен Р.Б., Ропсторфф П., Гердес К. (2003). «Бактериальный митоз: ParM плазмиды R1 перемещает плазмидную ДНК с помощью актиноподобного механизма инсерционной полимеризации» . Молекулярная клетка . 12 (6): 1477–87. дои : 10.1016/S1097-2765(03)00451-9 . ПМИД 14690601 .
- ^ Ни Л, Сюй В, Кумарасвами М, Шумахер М.А. (2010). «Плазмидный белок TubR использует особый способ связывания HTH с ДНК и привлекает прокариотический гомолог тубулина TubZ для осуществления разделения ДНК» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (26): 11763–8. дои : 10.1073/pnas.1003817107 . ПМЦ 2900659 . ПМИД 20534443 .
- ^ Гайне С, Куэвас А, Монкальян Г, де ла Крус Ф (2011). «Оперон stb уравновешивает требования к вегетативной стабильности и конъюгативному переносу плазмиды R388» . ПЛОС Генетика . 7 (5): e1002073. дои : 10.1371/journal.pgen.1002073 . ПМК 3098194 . ПМИД 21625564 .
- ^ Jump up to: а б Гайне С., де ла Крус Ф (2011). «Сегрегация плазмиды без перегородки» . Мобильные генетические элементы . 1 (3): 236–241. дои : 10.4161/mge.1.3.18229 . ПМЦ 3271553 . ПМИД 22312593 .