Основные биологические процессы, такие как деление клеток, должны жестко регулироваться. Например, правильная локализация плоскости клеточного деления жизненно важна для правильной сегрегации дуплицированных геномов и, следовательно, для выживания обеих дочерних клеток. Бактериальные клетки обычно делятся симметрично, образуя сократительное кольцо, которое постепенно сужается, образуя две дочерние клетки одинакового размера. В новом исследовании докторант LMU Силке Бергелер и ее научный руководитель профессор Эрвин Фрей разработали модель, которая объясняет, как определяется плоскость деления палочковидной бактерии Myxococcus xanthus. Модель, основанная на экспериментальной работе профессора Лотты Согаард-Андерсен и ее группы в Институте наземной микробиологии им. Макса Планка в Марбурге, описана в онлайн-журнале PLoS Computational Biology.
Перед делением клетки бактериальный геном реплицируется. Область, занятая бактериальной хромосомой (или «нуклеоидом»), функционально эквивалентна ядру в клетках высших организмов. Когда клетка делится, нуклеоид должен располагаться по центру, чтобы дублированные нуклеоиды были поровну разделены между двумя дочерними клетками. Были идентифицированы три белка, которые необходимы для правильной локализации плоскости расщепления в середине клетки у M. xanthus. Эксперименты, проведенные исследовательской группой в Марбурге, показали, что два из них, названные PomX и PomY, собираются в большой кластер, который в конечном итоге определяет положение средней клетки. Третий, PomZ, представляет собой АТФазу - фермент, который связывает нуклеотид АТФ и может превращать его в АДФ. Димерные молекулы, состоящие из двух АТФ-связанных белков PomZ, могут присоединяться к хромосомной ДНК и диффундировать вдоль нее, а также могут связываться с кластером PomXY и диффундировать с меньшей скоростью. Действие этой системы обеспечивает локализацию кластера в средней точке нуклеоида, совпадающей с серединой клетки, где и будет формироваться сократительное кольцо.
«Мы разработали математическую модель и использовали ее для детального изучения динамики процесса, который приводит к расположению кластера в центре нуклеоида», - говорит Бергелер. Анализ показал, что белки PomZ являются ключевыми компонентами в этой операции. Сначала они связываются с хромосомной ДНК, а затем рекрутируют кластер, тем самым привязывая его к нуклеоиду. Однако одновременное связывание PomZ с кластером и хромосомной ДНК в конечном итоге активирует АТФазную активность PomZ, что заставляет его отсоединяться как от кластера, так и от ДНК. Затем он диффундирует в цитозоль и, наконец, снова случайным образом связывается с нуклеоидом. В дополнение к этой задержке еще один фактор играет важную роль в перемещении кластера к середине нуклеоида: хромосома проявляет определенную степень эластичности, так что определенное положение на хромосоме может исследовать область вокруг своего равновесного положения в результате теплового воздействия. колебания. «Благодаря этой эластичности белки PomZ, которые связаны как с хромосомой, так и с кластером PomXY, могут оказывать результирующую силу на кластер». Более того, моделирование показывает, что скорость скопления зависит от разности потоков PomZ в скопление с любой стороны. «Ключевым моментом является то, что если кластер расположен асимметрично, в него будет поступать больше белков PomZ со стороны более длинного сегмента нуклеоида, чем с противоположной стороны», - объясняет Бергелер. Этот дисбаланс в потоке PomZ служит для подталкивания кластера к средней клетке, а не от нее. Когда расположение кластера совпадает с центром хромосомы, он остается на месте, потому что количество молекул PomZ, сталкивающихся с ним с каждой стороны, практически одинаково.
По словам ее авторов, эта модель также представляет интерес в контексте других систем внутриклеточного позиционирования, таких как система Мин, используемая для центрирования сократительного кольца в E. coli, сегрегации плазмид или механизмов, ответственных за для локализации жгутиков. «Изучая сходства и различия между различными системами, можно выявить общие механизмы, на которых они основаны», - говорит Фрей. Эта точка зрения подтверждается открытием, что предлагаемый механизм может в принципе привести к двум различным динамическим поведениям. Если динамика движения PomZ вдоль нуклеоида медленная по сравнению с диффузией кластера, последний не может стабильно сохранять свое положение в середине нуклеоида. Вместо этого он колеблется взад и вперед вокруг центра нуклеоида.