Organización bioquímica del proto-anillo de división bacteriano en sistemas mínimos de membrana- impacto del sistema mincde de selección del sitio de división

Resumen

La división celular bacteriana en E. coli está mediada por una maquinaría multiproteica (divisoma) cuyos componentes se ensamblan dinámicamente en el punto medio de la célula para formar el anillo de división, el cual desencadena la citocinesis bacteriana. El primer complejo macromolecular del divisoma es el proto-anillo constituido por tres proteínas, FtsZ, FtsA y ZipA, que se asocian a la membrana citoplasmática formando la estructura de andamiaje a la que se incorporan el resto de las proteínas esenciales de división. El posicionamiento del anillo Z está estrechamente regulado mediante el complejo de proteínas MinCDE, el cual oscila de polo a polo de la célula, bloqueando la polimerización de FtsZ en dichos polos. Con el fin de estudiar el papel intrínseco de FtsZ en la formación de patrones dinámicos, hemos revisado la reconstitución in vitro de la variante quimérica de FtsZ que se auto-ensambla a la membrana, FtsZ-YFP-mts, en membranas soportadas planas (SLBs). Nuestros resultados han demostrado que, bajo condiciones específicas, la formación de vórtices dinámicos es intrínseca a FtsZ y, por lo tanto, el anclaje de FtsZ a la membrana a través de FtsA no es estrictamente necesario para la dinámica de auto-organización espacial de FtsZ. Además, la formación de anillos dinámicos solo se ha observado dentro de un estrecho intervalo de concentración de FtsZ en la bicapa, lo cual depende de la concentración de magnesio libre y de la hidrólisis de GTP. La dirección de rotación de dichos anillos puede invertirse al cambiar la posición de la secuencia de anclaje a membrana del extremo C-terminal al N-terminal de la proteína. Esto implica que la secuencia de unión a membrana de FtsZ debe tener un componente perpendicular tanto a la curvatura como a la polaridad del filamento de FtsZ. A su vez, se ha pretendido conocer cómo el sistema Min puede modular dinámicamente la red de polímeros de FtsZ en bicapas con ZipA integrada. Los resultados obtenidos han revelado que la formación de patrones dinámicos del sistema Min modula la organización espacial de las redes de polímeros de FtsZ en entornos biomiméticos de membrana, revelando el acoplamiento anti-correlacionado entre los dos sistemas. La formación de dichos patrones dinámicos requiere tanto el anclaje de los filamentos de FtsZ a la membrana a través de ZipA como el reclutamiento a la membrana de MinC, responsable de inhibir la formación del anillo Z. A su vez, el incremento de la densidad superficial de ZipA y la formación de redes de polímeros de FtsZ en presencia de Ficoll 70 favorecen el acoplamiento entre las ondas de Min y las de FtsZ. Estos resultados demuestran el acoplamiento entre el sistema Min y los polímeros de FtsZ en sistemas mínimos de membrana, dependiente del anclaje de FtsZ a través de ZipA. Por último, se analizó el efecto de la proteína FtsA en el acoplamiento entre los polímeros de FtsZ y el complejo MinCDE en SLBs. La optimización del protocolo de purificación de FtsA, permitió obtener una proteína soluble y activa, que existe como una mezcla de monómeros y especies oligoméricas, y que se une a los lípidos de membrana con una afinidad moderada. Los ensayos de auto-organización de FtsA-FtsZ en SLBs muestran que estas proteínas se auto-ensamblan originando vórtices dinámicos y quirales. La reconstitución de los complejos FtsZ-FtsA-MinCDE en SLBs permitió la detección mediante microscopía confocal de ondas MinCDE-FtsZ dinámicas que migran conjuntamente. Este resultado difiere del observado cuando FtsZ está asociado a la membrana por ZipA, donde las ondas de los polímeros de FtsZ impulsadas por MinCDE se detectaron en anti-fase respecto a las del complejo Min. Estos hallazgos sugieren que la susceptibilidad de los polímeros de FtsZ a la regulación espacial mediante el sistema Min, impulsada por el efecto de MinC, depende de la naturaleza del elemento del proto-anillo que ancla FtsZ a la membrana (FtsA o ZipA).