Plazmidový přepážkový systém - Plasmid partition system

A plazmidový dělící systém je mechanismus, který zajišťuje stabilní dědičnost plazmidy během dělení bakteriálních buněk. Každý plazmid má svůj nezávislý replikační systém, který řídí počet kopií plazmidu v buňce. Čím vyšší je počet kopií, tím pravděpodobnější budou dvě dceřiné buňky obsahovat plazmid. Obecně platí, že každá molekula plazmidu náhodně difunduje, takže pravděpodobnost vzniku dceřiné buňky bez plazmidu je 21 - N, kde N je počet kopií. Například pokud jsou v buňce 2 kopie plazmidu, existuje 50% šance, že bude mít jednu dceřinou buňku bez plazmidu. Plazmidy s vysokým počtem kopií však mají pro hostitelskou buňku cenu. Tato metabolická zátěž je u plazmidů s nízkou kopií nižší, ale u těch je vyšší pravděpodobnost ztráty plazmidu po několika generacích. K řízení vertikálního přenosu plazmidů používají kromě systémů řízené replikace bakteriální plazmidy různé strategie údržby, jako například systémy multimerového rozlišení, postsegregační zabíjení (závislostní moduly) a systémy oddílů.[1]

Obecné vlastnosti systémů oddílů

Plazmidové kopie jsou spárovány kolem a centroméra -jako místo a poté se oddělil ve dvou dceřiných buňkách. Systémy oddílů zahrnují tři prvky uspořádané do auto-regulace operon:[2]

  • Místo DNA podobné centromere
  • Centromér vázající proteiny (CBP)
  • Motorický protein

Je vyžadováno místo DNA podobné centromere cis pro stabilitu plazmidu. Často obsahuje jedno nebo více obrácených opakování, která jsou rozpoznána několika CBP. Toto tvoří komplex nukleoproteinů, který se nazývá oddílový komplex. Tento komplex získává motorický protein, kterým je nukleotid trifosfatáza (NTPáza). NTPáza využívá energii z NTP vazby a hydrolýzy k přímému nebo nepřímému pohybu a připojení plazmidů na konkrétní místo hostitele (např. Opačné póly bakteriálních buněk).

Systémy oddílů jsou rozděleny do čtyř typů, založených primárně na typu NTPas:[3][4]

  • Typ I: ATPáza P-smyčky typu Walker
  • Typ II: ATPáza podobná aktinu
  • Typ III: GTPáza podobná tubulinu
  • Typ IV: Žádná NTPáza
Název různých prvků v různých typech
TypMotorický protein (NTPáza)Centromér vázající protein (CBP)Centromérové ​​vazebné místoJiné bílkoviny
Typ I.ParAParB nebo ParGparS (Ia) nebo parC (Ib)
Typ IIParMParRparC
Typ IIITubZTubRvanyTubY

Systém oddílů typu I.

Tento systém používá také většina bakterií segregace chromozomů.[3] Systémy oddílů typu I se skládají z ATPázy, která obsahuje Walker motivy a CBP, který je strukturně odlišný u typu Ia a Ib. ATPázy a CBP z typu Ia jsou delší než ty z typu Ib, ale oba CBP obsahují argininový prst v jejich N-koncové části.[5][1][6]Proteiny ParA z různých plazmidů a bakteriálních druhů vykazují 25 až 30% sekvenční identity s proteinem ParA proteinu plazmid P1.[7]Přepážka systému typu I používá mechanismus „difúzní západky“. Tento mechanismus funguje následovně:[8]

  1. Dimery ParA-ATP se dynamicky váží na nukleoidní DNA [9][10][11][12]
  2. ParA ve svém stavu vázaném na ATP interaguje s ParB vázaným na parS [13]
  3. ParB vázán na parS stimuluje uvolňování ParA z oblasti nukleoidů obklopujících plazmid[14]
  4. Plazmid pak pronásleduje výsledný gradient ParA na obvodu oblasti ochuzené o ParA nukleoidu
  5. ParA, který byl uvolněn z nukleoidu za pohybem plazmidu, se po zpoždění přerozděluje do dalších oblastí nukleoidu [15]
  6. Po replikaci plazmidu se sesterské kopie segregují na opačné poloviny buněk, když pronásledují ParA na nukleoidu v opačných směrech

Pravděpodobně budou rozdíly v podrobnostech mechanismů typu I.[6]

Oddíl typu 1 byl matematicky modelován se změnami výše popsaného mechanismu.[16][17][18][19]

Typ Ia

CBP tohoto typu se skládá ze tří domén:[6]

  • N-koncová doména vázající NTPázu
  • Centrální doména Helix-Turn-Helix (HTH)[20]
  • C-koncová dimerová doména[21]

Typ Ib

CBP tohoto typu, také známý jako parG se skládá z:[6]

  • N-koncová doména vázající NTPázu
  • Ribon-Helix-Helix (RHH) doména

U tohoto typu je parS stránka se nazývá parC.

Systém oddílů typu II

Tento systém je nejlépe pochopitelný pro plazmidový rozdělovací systém.[6]Skládá se z ATPAse podobné aktinu, ParM a CBP zvaného ParR. Místo jako centromere, parC obsahuje dvě sady pěti přímých opakování 11 párů bází oddělených znakem parMR promotor. Identita aminokyselinové sekvence může klesnout až na 15% mezi ParM a jinou ATPázou podobnou aktinu.[7][22]

Zde zapojený mechanismus oddílu je tlačný mechanismus:[23]

  1. ParR se váže na parC a páruje plazmidy, které tvoří komplex nukleoproteinů nebo rozdělovací komplex
  2. Rozdělovací komplex slouží jako nukleační bod pro polymeraci ParM; V tomto bodě se vloží komplex ParM-ATP a tlačí plazmidy od sebe
  3. Inzerce vede k hydrolýze komplexu ParM-ATP, což vede k depolymerizaci vlákna
  4. Při dělení buněk jsou kopie plazmidů na každém konci buňky a skončí v budoucí dceřiné buňce

Vlákno ParM je regulováno polymerací povolenou přítomností dělícího komplexu (ParR-parC) a depolymerací řízenou aktivitou ATPázy ParM.

Systém oddílů typu III

Systém oddílů typu III je naposledy objevený systém oddílů. Skládá se z tubulin podobné GTPázy nazývané TubZ a CBP se označuje jako TubR. Identita aminokyselinové sekvence může u proteinů TubZ klesnout až na 21%.[7]

Mechanismus je podobný mechanismu běžeckého pásu:[24]

  1. Několik dimerů TubR se váže na oblast podobnou centromere stbDR plazmidů.
  2. Kontakt mezi TubR a vláknem běžeckého pásu TubZ polymeru. TubZ podjednotky jsou ztraceny od - konce a jsou přidány k + konci.
  3. Komplex TubR-plazmid je tažen podél rostoucího polymeru, dokud nedosáhne buněčného pólu.
  4. Interakce s membránou pravděpodobně spustí uvolnění plazmidu.

Čistým výsledkem je transport dělícího komplexu do pólu buňky.

Jiné systémy oddílů

Systém oddílů R388

Oddělovací systém plazmidu R388 byl nalezen uvnitř stb operon. Tento operon se skládá ze tří genů, stbA, stbB a stbC.[25]

  • Protein StbA je protein vázající DNA (identický s ParM ) a je nezbytně nutný pro stabilitu a intracelulární umístění plazmidu R388 v E-coli. StbA váže a cis-účinkující sekvence, stbDR.

StbA-stbDR Komplex lze použít k párování plazmidu s hostitelským chromozomem za použití nepřímého bakteriálního dělícího systému.

  • Protein StbB má motiv ATPázy typu Walker, upřednostňuje konjugaci, ale není vyžadován pro stabilitu plazmidu po celé generace.
  • StbC je osiřelý protein neznámé funkce. Zdá se, že StbC není zapojen ani do rozdělení, ani do konjugace.

StbA a StbB mají opačný, ale související účinek související s konjugací.

Tento systém byl navržen jako systém oddílů typu IV.[26] Předpokládá se, že je to derivát dělícího systému typu I, vzhledem k podobné organizaci operonu. Tento systém představuje první důkaz mechanistické souhry mezi procesy segregace plazmidu a konjugací.[26]

Systém oddílů pSK1 (přezkoumáno v [1])

pSK1 je plazmid z Zlatý stafylokok. Tento plazmid má dělící systém určený jediným genem, odst, dříve známé jako orf245. Tento gen neovlivňuje počet kopií plazmidu ani rychlost růstu (s výjimkou jeho implikace v postsegregačním systému usmrcování). Vazebná sekvence podobná centromere je přítomna před odst gen a skládá se ze sedmi přímých repeticí a jedné obrácené repetice.

Reference

  1. ^ A b C Dmowski M, Jagura-Burdzy G (2013). „Aktivní stabilní funkce údržby v plazmidech grampozitivních bakterií s nízkým počtem kopií I. Rozdělovací systémy“ (PDF). Polský žurnál mikrobiologie / Polskie Towarzystwo Mikrobiologów = Polská společnost mikrobiologů. 62 (1): 3–16. PMID  23829072.
  2. ^ Friedman SA, Austin SJ (1988). „Systém rozdělení plazmidu P1 syntetizuje dva esenciální proteiny z autoregulovaného operonu“. Plasmid. 19 (2): 103–12. doi:10.1016 / 0147-619X (88) 90049-2. PMID  3420178.
  3. ^ A b Gerdes K, Møller-Jensen J, Bugge Jensen R (2000). "Rozdělení plazmidů a chromozomů: překvapení z fylogeneze". Molekulární mikrobiologie. 37 (3): 455–66. doi:10.1046 / j.1365-2958.2000.01975.x. PMID  10931339.
  4. ^ Bouet, Jean-Yves; Funnell, Barbara E. (2019-06-19). "Plazmidová lokalizace a rozdělení v Enterobacteriaceae". EcoSal Plus. 8 (2). doi:10.1128 / ecosalplus.ESP-0003-2019. ISSN  2324-6200. PMID  31187729.
  5. ^ Ah-Seng, Y; Lane, D; Těstoviny, F; Lane, D; Bouet, JY (2009). „Dvojí role DNA v regulaci hydrolýzy ATP dělícím proteinem SopA“. Journal of Biological Chemistry. 70 (44): 30067–75. doi:10.1074 / jbc.M109.044800. PMC  2781561. PMID  19740757.
  6. ^ A b C d E Schumacher MA (2012). „Mechanismy dělení bakteriálních plazmidů: minimalistický přístup k přežití“. Aktuální názor na strukturní biologii. 22 (1): 72–9. doi:10.1016 / j.sbi.2011.11.001. PMC  4824291. PMID  22153351.
  7. ^ A b C Chen Y, Erickson HP (2008). „In vitro montážní studie FtsZ / tubulin-like proteinů (TubZ) z plazmidů Bacillus: důkazy o uzavíracím mechanismu“. The Journal of Biological Chemistry. 283 (13): 8102–9. doi:10,1074 / jbc.M709163200. PMC  2276378. PMID  18198178.
  8. ^ Badrinarayanan, Anjana; Le, Tung B. K .; Laub, Michael T. (2015-11-13). „Organizace a segregace bakteriálních chromozomů“. Roční přehled buněčné a vývojové biologie. 31: 171–199. doi:10.1146 / annurev-cellbio-100814-125211. ISSN  1530-8995. PMC  4706359. PMID  26566111.
  9. ^ Bouet, JY; Ah-Seng, Y; Benmeradi, N; Lane, D (2007). „Polymerizace dělící ATPázy SopA: regulace vazbou DNA a SopB“. Molekulární mikrobiologie. 63 (2): 468–81. doi:10.1111 / j.1365-2958.2006.05537.x. PMID  17166176.
  10. ^ Castaing, JP; Bouet, JY; Lane, D (2008). „Rozdělení plazmidu F závisí na interakci SopA s nespecifickou DNA.“ Molekulární mikrobiologie. 70 (4): 1000–11. doi:10.1111 / j.1365-2958.2008.06465.x. PMID  18826408.
  11. ^ Hwang, Ling Chin; Vecchiarelli, Anthony G .; Han, Yong-Woon; Mizuuchi, Michiyo; Harada, Yoshie; Funnell, Barbara E .; Mizuuchi, Kiyoshi (02.05.2013). „ParA-zprostředkovaná plasmidová rozdělení řízená samoorganizací proteinového vzoru“. Časopis EMBO. 32 (9): 1238–1249. doi:10.1038 / emboj.2013.34. ISSN  1460-2075. PMC  3642677. PMID  23443047.
  12. ^ Vecchiarelli, Anthony G .; Hwang, Ling Chin; Mizuuchi, Kiyoshi (04.04.2013). „Bezbuněčná studie rozdělení plazmidu F poskytuje důkazy pro přepravu nákladu pomocí difuzně-ráčnového mechanismu“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 110 (15): E1390–1397. Bibcode:2013PNAS..110E1390V. doi:10.1073 / pnas.1302745110. ISSN  1091-6490. PMC  3625265. PMID  23479605.
  13. ^ Bouet, JY; Funnell, BE (1999). „P1 ParA interaguje s komplexem oddílů P1 v parS a přepínač ATP-ADP řídí činnosti ParA“. EMBO J.. 18 (5): 1415–24. doi:10.1093 / emboj / 18.5.1415. PMC  1171231. PMID  10064607.
  14. ^ Vecchiarelli, Anthony G .; Neuman, Keir C .; Mizuuchi, Kiyoshi (2014-04-01). „Šířící se gradient ATPázy řídí transport pozemního buněčného nákladu“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 111 (13): 4880–4885. Bibcode:2014PNAS..111,4880V. doi:10.1073 / pnas.1401025111. ISSN  1091-6490. PMC  3977271. PMID  24567408.
  15. ^ Vecchiarelli, Anthony G .; Han, Yong-Woon; Tan, Xin; Mizuuchi, Michiyo; Ghirlando, Rodolfo; Biertümpfel, Christian; Funnell, Barbara E .; Mizuuchi, Kiyoshi (2010-08-18). „Řízení ATP dynamických interakcí P1 ParA-DNA: klíčová role nukleoidu v rozdělení plasmidu“. Molekulární mikrobiologie. 78 (1): 78–91. doi:10.1111 / j.1365-2958.2010.07314.x. ISSN  0950-382X. PMC  2950902. PMID  20659294.
  16. ^ Hu, Longhua; Vecchiarelli, Anthony G .; Mizuuchi, Kiyoshi; Neuman, Keir C .; Liu, Jian (08.12.2015). „Směrovaný a vytrvalý pohyb vychází z mechanochemie systému ParA / ParB“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 112 (51): E7055–64. Bibcode:2015PNAS..112E7055H. doi:10.1073 / pnas.1505147112. ISSN  1091-6490. PMC  4697391. PMID  26647183.
  17. ^ Vecchiarelli, Anthony G .; Seol, Yeonee; Neuman, Keir C .; Mizuuchi, Kiyoshi (01.01.2014). „Pohyblivý gradient ParA na nukleoidu směruje subcelulární transport nákladu pomocí chemoforetické síly“. Bioarchitektura. 4 (4–5): 154–159. doi:10.4161/19490992.2014.987581. ISSN  1949-100X. PMC  4914017. PMID  25759913.
  18. ^ Ietswaart, Robert; Szardenings, Florian; Gerdes, Kenn; Howard, Martin (01.12.2014). „Konkurenční struktury ParA prostorově rozmnožují bakteriální plazmidy přes nukleoid“. PLOS výpočetní biologie. 10 (12): e1004009. Bibcode:2014PLSCB..10E4009I. doi:10.1371 / journal.pcbi.1004009. ISSN  1553-7358. PMC  4270457. PMID  25521716.
  19. ^ Walter, JC; Dorignac, J; Lorman, V; Rech, J; Bouet, JY; Nollmann, M; Palmeri, J; Parmeggiani, A; Geniet, F (2017). „Surfování na proteinových vlnách: proteoforéza jako mechanismus rozdělení bakteriálního genomu“. Dopisy o fyzické kontrole. 119 (28101): 028101. arXiv:1702.07372. Bibcode:2017PhRvL.119b8101W. doi:10.1103 / PhysRevLett.119.028101. PMID  28753349.
  20. ^ Sanchez, Aurore; Rech, Jérôme; Gasc, Cyrielle; Bouet, Jean-Yves (březen 2013). „Pohled na centromérové ​​vazebné vlastnosti proteinů ParB: sekundární vazebný motiv je nezbytný pro udržení bakteriálního genomu“. Výzkum nukleových kyselin. 41 (5): 3094–3103. doi:10.1093 / nar / gkt018. ISSN  1362-4962. PMC  3597684. PMID  23345617.
  21. ^ Surtees, Jennifer A .; Funnell, Barbara E. (1999). „Struktura domény P1 ParB zahrnuje dvě nezávislé domény multimerizace“. Journal of Bacteriology. 181 (19): 5898–5908. doi:10.1128 / jb.181.19.5898-5908.1999. ISSN  1098-5530.
  22. ^ Gunning PW, Ghoshdastider U, Whitaker S, Popp D, Robinson RC (2015). „Vývoj kompozičně a funkčně odlišných aktinových vláken“. J Cell Sci. 128 (11): 2009–19. doi:10,1242 / jcs.165563. PMID  25788699.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  23. ^ Møller-Jensen J, Borch J, Dam M, Jensen RB, Roepstorff P, Gerdes K (2003). „Bakteriální mitóza: ParM plazmidu R1 pohybuje plazmidovou DNA mechanismem inzerční polymerace podobné aktinu“. Molekulární buňka. 12 (6): 1477–87. doi:10.1016 / S1097-2765 (03) 00451-9. PMID  14690601.
  24. ^ Ni L, Xu W, Kumaraswami M, Schumacher MA (2010). „Plazmidový protein TubR používá odlišný způsob vazby HTH-DNA a rekrutuje prokaryotický tubulinový homolog TubZ k provedení rozdělení DNA“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 107 (26): 11763–8. doi:10.1073 / pnas.1003817107. PMC  2900659. PMID  20534443.
  25. ^ Guynet C, Cuevas A, Moncalián G, de la Cruz F (2011). „Operátor STB vyvažuje požadavky na vegetativní stabilitu a konjugativní přenos plazmidu R388.“. Genetika PLOS. 7 (5): e1002073. doi:10.1371 / journal.pgen.1002073. PMC  3098194. PMID  21625564.
  26. ^ A b Guynet C, de la Cruz F (2011). "Segregace plazmidů bez rozdělení". Mobilní genetické prvky. 1 (3): 236–241. doi:10,4161 / mge.1.3.18229. PMC  3271553. PMID  22312593.