Цитокинетическое кольцо прокариотических клеток
При делении прокариотических клеток образуется сложное цитокинетическое кольцо.
Основные положения:
- На заключительной стадии деления клеточная оболочка сжимается и разрушается или участвует в синтезе септы с последующим автолизом, образуя две отдельных клетки.
- Процесс деления у бактерий контролируется гомологом тубулина , белком FtsZ , который образует кольцевую структуру в месте деления.
- Вместе с FtsZ, в месте деления образуется набор, состоящий примерно из 8 белков, участвующих в делении.
- Место деления клетки определяется двумя системами отрицательной регуляции: блокирующим эффектом нуклеоида и системой Min .
Большинство клеток прокариот делятся точно посередине, образуя две одинаковые дочерние клетки. Деление скоординировано с завершением репликации ДНК и сегрегацией хромосом. Обычно деление происходит по завершению периода роста, во время которого масса клеток удваивается. После сегрегации хромосом наступает цитокинез , в результате которого клетка разделяется на две. Во время цитокинеза все слои клеточной мембраны локально принимают кольцеобразную форму. Как показано на рис. 20.41 , цитокинез осуществляется, по крайней мере, двумя различными путями. У грамотрицательных микроорганизмов , таких как Е. coli , деление происходит при сокращении слоев существующей оболочки, с последующим разрывом образующейся перемычки. У других бактерий, например у грамположительных В. subtilis , новообразованные кольцевые структуры материала клеточной стенки растут внутрь клетки, образуя перегородку. Когда образование перегородки завершилось, между сестринскими клетками образуется двойная мембрана, но клетки остаются связанными друг с другом. Разделение клеток представляет собой самостоятельное событие, которое включает в себя автолиз материала перегородки. В зависимости от условий роста, автолиз перегородки может происходить достаточно медленно и сопровождаться возникновением длинных цепей связанных между собой клеток.
При выделении и характеристике мутантов fis (филаментарные температурочувствительные мутации) был идентифицирован ряд генов, необходимых для деления. Клетки мутантов fis при непермиссивной температуре растут в виде длинных неделящихся филаментов. У большинства бактерий обнаружено около 8 генов fis . Плодотворным оказалось наблюдение Люткенхауза, который обнаружил, что белок FtsZ образует кольцеобразные структуры непосредственно под клеточной мембраной на месте деления. Затем к этому "Z-кольцу" в определенном порядке подходят остальные белки деления. Этот процесс для клеток Е. coli представлен на рис. 20.42 . Функции большинства этих белков неизвестны.
Ключевой белок деления FtsZ , представляет собой гомолог тубулина эукариот, белка, входящего в состав цитоскелета и формирующего микротрубочки . Подобно тубулину, этот белок является ГТФазой и в присутствии ГТФ полимеризуется с образованием линейных протофиламентов, in vitro формирующих пучки и плоские структуры. Кольцевая структура белка FtsZ крайне динамична, и in vivo постоянно подвергается переформированию (с полупериодом менее 10 с). В этом отношении белок напоминает тубулин эукариот (см. Микротрубочки ).
В Z-кольце с белком FtsZ непосредственно взаимодействует белок FtsA , функция которого, вероятно, состоит в стабилизации кольца. Белок FtsA напоминает актин клеток эукариот, однако обладает дополнительным доменом, функции которого неизвестны. Этот белок образует димеры, но, по-видимому, не полимеризуется. Хотя он не участвует в формировании Z-кольца, клетки двойного мутанта, дефектного по белкам FtsA и ZipA , не способны образовывать кольцевые структуры. Таким образом, функции белков FtsA и ZipA частично перекрываются, и, по крайней мере, один из них необходим для стабилизации Z-кольца. Также показано, что белок ZipA непосредственно взаимодействует с FtsZ и, в отличие от последнего и FtsA, представляет собой трансмембранный белок. Поэтому ZipA может обеспечивать сопряжение Z-кольца с клеточной мембраной.
Остальные белки деления представляют собой трансмембранные белки. Функции белков FtsL и FtsQ неизвестны. Белок FtsW , вероятно, поставляет предшественники для белка FtsI , который является ферментом, участвующим в синтезе перегородки. Последний обладает способностью связывать пенициллин и взаимодействует с аппаратом синтеза клеточной стенки, функционирующим при делении. Белки FtsK и FtsN необходимы для деления клеток Е. coli , однако у B. subtilis гомолог белка FtsK ( SpoIIIE ) не участвует в делении, а гомолог белка FtsN у этих клеток отсутствует.
Между двумя хорошо изученными микроорганизмами, Е. coli и В. subtilis, существуют интересные различия в процессе сборки белков деления. Так, у Е. coli этот процесс носит почти линейный характер ( рис. 20.42 ), в то время как у В. subtilis сборка белков на Z-кольцевой структуре является взаимозависимой. Эти различия, вероятно, отражают различную организацию клеточной оболочки у грамотрицательных и грамположительных микроорганизмов. Пока мы мало знаем о том, каким образом полностью собранный аппарат деления влияет на цитокинез , и выяснение этих вопросов представляет собой обширное поле деятельности для исследователей.
Деление контролируется, главным образом, на уровне образования кольца FtsZ. Предполагают, что положение сайта деления, и, вероятно, протекание этого процесса во времени находятся под контролем двух факторов: блокирования нуклеоидом и системы Min. Оба этих фактора обеспечивают наступление деления только после завершения репликации ДНК, а также одинаковую величину образующихся клеток.
Фактор блокирования нуклеоидом исследован недостаточно. Он проявляется в том, что из-за своего объема нуклеоид может предотвращать деление ( рис. 20.43 ). Поэтому деление клетки происходит только после завершения раунда репликации ДНК и расхождения сестринских хромосом с образованием отдельных нуклеоидов. При блокировании процессов репликации или сегрегации, присутствие нуклеоида в середине клетки предотвращает образование перегородки. В принципе отрицательный эффект нуклеоида может объясняться просто отсутствием в этой области исключением из его состава белка FtsZ. При этом белок не накапливается до критической концентрации, необходимой для его полимеризации.
Значимость фактора блокирования нуклеоидом для клетки представляет собой потенциальную проблему, которая заключается в том, что полюса клетки (по крайней мере у палочковидных бактерий ) не защищены нуклеоидом, и поэтому возможно наступление аберрантного полярного деления . Для предупреждения этого, у многих бактерий присутствуют белки, входящие в систему Min , которая препятствует делению на полюсах. Название этой системы происходит от названия мини-клеток, образуемых мини-мутантами, для которых характерно деление на полюсах.
Ключевой эффектор системы Min представляет собой ингибитор клеточного деления, который называется MinC . Этот белок обладает способностью ингибировать образование Z-кольца, вероятно, непосредственно ингибируя полимеризацию FtsZ. Активность MinC находится под контролем белка MinD . Вероятно, этот белок контролирует внутриклеточную локализацию MinC по двум различным механизмам. Один из них состоит в том, что MinD транспортирует MinC на периферию клетки (ближе к цитоплазматической мембране) туда, где происходит сборка кольцевой структуры FtsZ. Второй механизм заключается в том, что MinD ограничивает активность MinC полюсами клетки, тем самым предотвращая наступление полярного деления, но способствуя делению клетки по средней линии.
У многих палочковидных бактерий система MiniCD используется для контроля за местонахождением сайта деления. Эта система хорошо охарактеризована у бактерий Е. coli и В. subtilis . Интересно, что у двух этих микроорганизмов существуют совершенно разные механизмы, посредством которых MinD ограничивает эффект MinC на полюса клетки. У В. subtilis используется простой механизм, при котором полярный якорный белок DivIVA транспортирует комплекс MinCD к полюсам клетки и в течение всего клеточного цикла удерживает его там в статичном положении. Как показано на рис. 20.44 , DivIVA и MinD локализуются у полюсов вновь образованной клетки, и присутствие ингибитора MiniC предотвращает формирование FtsZ-кольца у полюсов. По-видимому, после завершения репликации ДНК, в середине клетки создается новый потенциальный сайт деления. Концентрация ингибитора MiniC у полюсов позволяет провести сборку FtsZ-кольца в середине клетки и обеспечивает мобилизацию других белков деления. В этот момент аппарат деления, вероятно, становится нечувствительным к ингибирующему действию MinC. Затем белки DivIVA и MinD перемещаются на середину клетки. Поэтому, когда при делении образуется новая пара клеточных полюсов, DivIVA встраивается в новые полюса и образует новую область проявления ингибирующего эффекта MinCD. Когда произошло сокращение оболочки, наступает разборка FtsZ-кольца, однако DivIVA и MinCD остаются на вновь образованных полюсах, тем самым предотвращая деление на этих полярных сайтах. Таким образом, транспортировка DivIVA к сайту деления и затем его удержание на полюсах клетки являются ключевыми событиями этого механизма. Интересно, что белок DivIVA локализуется на сайтах деления, когда он экспрессируется в эукариотических клетках (делящиеся дрожжи ). Эта позволяет предполагать, что DivIVA может узнавать топологические характеристики, например кривизну мембраны, а не специфические белковые мишени.
В противоположность этому, в клетках Е. coli существует динамическая система MinCD, которая на какое-то время собирает комплекс у одного полюса. Затем он разбирается и собирается вновь у противоположного полюса. Так повторяется много раз. Этим процессом управляет кольцо белка MinE , которое, в свою очередь, каждый раз перемещается к тому или иному полюсу, смещая MinCD и обеспечивая ему возможность собраться у противоположного полюса. Изменение локализации MinCD от одного полюса к другому происходит с частотой порядка десятков секунд. Как показано на рис. 20.44 , MinD поочередно накапливается на периферии мембраны с каждой стороны кольца MinE . Быстрое изменение локализации MinD не позволяет кольцу FtsZ собраться на полюсах. Присутствие MinE в центральной области исключает проявление там ингибирующего эффекта MinD и дает возможность собраться в этом месте кольцу FtsZ. Остается невыясненным, почему для контроля MinCD и установления полюсов у Е. coli выработался такой энергетически невыгодный механизм.
MinD относится к интересной группе белков, обладающих общей функцией связывания нуклеотидов, которая также включает белок разделения хромосом ParA .Близкий к ParA белок Soj также проявляет динамические свойства. Вероятно, общей для этих белков является их способность связывать и гидролизовать нуклеотиды и контролировать реакции полимеризации и деполимеризации. Это напоминает механизм контроля динамической нестабильности актиновых филаментов и микротрубочек у эукариот (см. Актин и Микротрубочки ). Поэтому эти белки относятся еще к одному классу белков цитоскелета бактерий, обладающих широкими функциями, которые особенно связаны с вопросами морфогенеза на разных стадях клеточного цикла.
У грамположительных бактерий был идентифицирован белок, участвующий в блокировании клеточного деления нуклеоидом. Это Noc , представляющий собой белок, неспецифически связывающийся с ДНК, который локализован в нуклеоиде . Он также является ингибитором клеточного деления. Если не нарушена репликация хромосом, то мутанты noc растут нормальным образом. При этом в noc-минус-клетках деление происходит с участием нуклеоида, а клетки дикого типа не делятся. Как показано на рис. 20.45 , Noc и система MiniCD определяют местоположение кольца FtsZ в середине клетки. В клетках дикого типа, DivIVA запускает процесс полимеризации белка MinD, который распространяется от полюсов к середине клетки вдоль мембраны. Белок MinC, связанный с белком MinD, предотвращает накопление FtsZ или полимеризацию поблизости от полюсов клетки. Предполагается, что белок Noc связывается с нуклеоидом и ингибирует накопление FtsZ или проявление его активности поблизости от нуклеоида. В клетках noc-минус, система Min предотвращает сборку кольца FtsZ, исключая область середины клетки, и клетки растут нормально. Однако у min-минус клеток Noc ингибирует сборку FtsZ только вокруг нуклеоида, и FtsZ образует кольцевую структуру в середине клетки и на полюсах, где нет нуклеоида. У клеток с отсутствующими топологическими ингибиторами (двойные мутанты min-минус-noc-минус) сборке FtsZ ничего не препятствует, и по всей клетке образуются многочисленные вкрапления, состоящие из этого белка. Их образование приводит к утрате клеткой способности к делению. У грамотрицательных бактерий Noc отсутствует, однако у Е. coli обнаружен белок, контролирующий систему блокирования деления нуклеоидом по механизму, аналогичному Noc.
Смотрите также:
