FtsZ es una proteína codificada por el gen ftsZ que se ensambla en un anillo en el sitio futuro de la división celular bacteriana (también llamado anillo Z ). FtsZ es un homólogo procariota de la proteína eucariota tubulina . Las iniciales FtsZ media " F ilamenting t emperature- s SENSIBLES mutante Z ". La hipótesis era que los mutantes de la división celular de E. coli crecerían como filamentos. debido a la incapacidad de las células hijas para separarse unas de otras. FtsZ se encuentra en casi todas las bacterias, muchas arqueas, todos los cloroplastos y algunas mitocondrias, donde es esencial para la división celular. FtsZ ensambla el armazón citoesquelético del anillo Z que, junto con proteínas adicionales, se contrae para dividir la célula en dos.
Proteína de división celular FtsZ | |
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Identificadores | |
Símbolo | FtsZ |
InterPro | IPR000158 |
CATH | 1fsz |
SCOP2 | 1fsz / SCOPe / SUPFAM |
CDD | cd02201 |
FtsZ, sándwich C-terminal | ||||||||
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Identificadores | ||||||||
Símbolo | FtsZ_C | |||||||
Pfam | PF12327 | |||||||
InterPro | IPR024757 | |||||||
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Proteína de división celular FtsZ | ||||||
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Identificadores | ||||||
Organismo | ||||||
Símbolo | ftsZ | |||||
UniProt | P0A9A6 | |||||
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Historia
En la década de 1960, los científicos analizaron las mutaciones sensibles a la temperatura que bloquearon la división celular a 42 ° C. Las células mutantes se dividieron normalmente a 30 °, pero no se dividieron a 42 °. El crecimiento continuo sin división produjo células largo filamentosos ( F ilamenting t emperatura s SENSIBLES). Varios de estos mutantes fueron descubiertos y mapeados en un locus originalmente llamado ftsA, que podría ser uno o más genes . En 1980, Lutkenhaus y Donachie [1] demostraron que varias de estas mutaciones se asignaban a un gen, ftsA, pero un mutante bien caracterizado, PAT84, descubierto originalmente por Hirota et al, [2] se asignaba a un gen adyacente separado. Llamaron a este gen de división celular ftsZ. En 1991, Bi y Lutkenhaus utilizaron microscopía electrónica de inmunodorado para mostrar que FtsZ se localizaba en el tabique invaginador en la mitad de la célula. [3] Posteriormente, los grupos Losick y Margolin utilizaron microscopía de inmunofluorescencia [4] y fusiones de GFP [5] para mostrar que FtsZ ensamblaba anillos Z temprano en el ciclo celular, mucho antes de que el tabique comenzara a contraerse. Luego, otras proteínas de división se ensamblan en el anillo Z y la constricción ocurre en la última parte del ciclo celular.
En 1992-3, tres laboratorios descubrieron independientemente que FtsZ estaba relacionado con la tubulina eucariota, que es la subunidad de proteína que se ensambla en microtúbulos. [6] [7] [8] Este fue el primer descubrimiento de que las bacterias tienen homólogos de proteínas citoesqueléticas eucariotas. Un trabajo posterior mostró que FtsZ estaba presente y era esencial para la división celular en casi todas las bacterias y en muchas, pero no en todas, las arqueas.
Las mitocondrias y los cloroplastos son orgánulos eucariotas que se originaron como endosimbiontes bacterianos, por lo que hubo mucho interés en si usan FtsZ para la división. El cloroplasto FtsZ fue descubierto por primera vez por Osteryoung, [9] y ahora se sabe que todos los cloroplastos usan FtsZ para la división. La FtsZ mitocondrial fue descubierta por Beech [10] en un alga; FtsZ se usa para la división mitocondrial en algunos eucariotas, mientras que otros lo han reemplazado con una maquinaria basada en dinamina.
Función
Durante la división celular , FtsZ es la primera proteína que se mueve al sitio de división y es esencial para reclutar otras proteínas que producen una nueva pared celular ( tabique ) entre las células en división. El papel de FtsZ en la división celular es análogo al de la tubulina en la división de células eucariotas, pero, a diferencia del anillo actina - miosina en eucariotas, FtsZ no tiene ninguna proteína motora conocida asociada. El origen de la fuerza citocinética , por tanto, sigue sin estar claro, pero se cree que la síntesis localizada de nueva pared celular produce al menos parte de esta fuerza. [11] En liposomas, Osawa (2009) mostró que FtsZ es capaz de ejercer una fuerza contráctil sin otras proteínas presentes. [12]
Erickson (2009) propuso cómo las funciones de las proteínas similares a la tubulina y las proteínas similares a la actina en la división celular se invirtieron en un misterio evolutivo. [13] El uso del anillo FtsZ para dividir los cloroplastos y algunas mitocondrias establece aún más su ascendencia procariota. [14] Las bacterias en forma de L que carecen de pared celular no requieren FtsZ para su división, lo que implica que las bacterias pueden haber retenido componentes de un modo ancestral de división celular. [15]
Se sabe mucho sobre las actividades de polimerización dinámica de la tubulina y los microtúbulos , pero se sabe poco sobre estas actividades en FtsZ. Aunque se sabe que los protofilamentos de tubulina monocatenarios se forman en 13 microtúbulos trenzados , no se conoce la estructura multicatenaria del anillo Z que contiene FtsZ. Solo se especula que la estructura consiste en protofilamentos superpuestos. Sin embargo, un trabajo reciente con FtsZ purificado en bicapas lipídicas soportadas, así como la obtención de imágenes de FtsZ en células bacterianas vivas, reveló que los protofilamentos de FtsZ tienen polaridad y se mueven en una dirección al andar en cinta [16] (ver también más abajo).
Recientemente, se han descubierto proteínas similares a la tubulina y FtsZ en grandes plásmidos encontrados en especies de Bacillus . Se cree que funcionan como componentes de los segrosomas , que son complejos multiproteicos que dividen los cromosomas / plásmidos en las bacterias. Los homólogos de plásmido de tubulina / FtsZ parecen haber conservado la capacidad de polimerizar en filamentos.
El anillo contráctil (el "anillo Z")
FtsZ tiene la capacidad de unirse a GTP y también exhibe un dominio GTPasa que le permite hidrolizar GTP a GDP y un grupo fosfato. In vivo , FtsZ forma filamentos con una disposición repetida de subunidades, todas dispuestas de la cabeza a la cola. [17] Estos filamentos forman un anillo alrededor del punto medio longitudinal, o tabique, de la célula. Este anillo se llama anillo Z.
La actividad hidrolizante de GTP de la proteína no es esencial para la formación de filamentos o la división celular. Los mutantes defectuosos en la actividad de la GTPasa a menudo todavía se dividen, pero a veces forman septos torcidos y desordenados. No está claro si FtsZ realmente proporciona la fuerza física que da como resultado la división o si sirve como marcador para que otras proteínas ejecuten la división.
Si FtsZ proporciona fuerza que divide la celda, puede hacerlo mediante el movimiento relativo de las subunidades. Los modelos informáticos y las mediciones in vivo sugieren que los filamentos FtsZ individuales no pueden sostener una longitud de más de 30 subunidades. En este modelo, la fuerza de escisión FtsZ proviene del movimiento lateral relativo de las subunidades. [18] Las líneas de FtsZ se alinearían juntas en paralelo y se tirarían entre sí creando un "cordón" de muchas cuerdas que se aprieta.
En otros modelos, FtsZ no proporciona la fuerza contráctil, pero proporciona a la célula un andamio espacial para que otras proteínas ejecuten la división de la célula. Esto es similar a la creación de una estructura temporal por parte de los trabajadores de la construcción para acceder a los lugares de difícil acceso de un edificio. La estructura temporal permite el acceso sin restricciones y asegura que los trabajadores puedan llegar a todos los lugares. Si la estructura temporal no se construye correctamente, los trabajadores no podrán llegar a ciertos lugares y el edificio será deficiente.
La teoría del andamio está respaldada por información que muestra que la formación del anillo y la localización en la membrana requieren la acción concertada de varias proteínas accesorias. ZipA o el homólogo de actina FtsA permiten la localización inicial de FtsZ en la membrana. [19] Después de la localización en la membrana, las proteínas de división de la familia Fts se reclutan para el ensamblaje del anillo. [20] Muchas de estas proteínas dirigen la síntesis del nuevo tabique de división en la célula media (FtsI, FtsW) o regulan la actividad de esta síntesis (FtsQ, FtsL, FtsB, FtsN). El momento de la formación del anillo Z sugiere la posibilidad de una señal espacial o temporal que permite la formación de filamentos FtsZ.
Las imágenes de superresolución recientes en varias especies respaldan un modelo de andamio dinámico, en el que pequeños grupos de protofilamentos FtsZ o haces de protofilamentos se mueven unidireccionalmente alrededor de la circunferencia del anillo mediante una cinta de correr, anclados a la membrana mediante FtsA y otras ataduras de membrana específicas de FtsZ. [21] [22] La velocidad de la caminadora depende de la tasa de hidrólisis de GTP dentro de los protofilamentos FtsZ, pero en Escherichia coli , la síntesis del tabique de división sigue siendo el paso limitante de la tasa de citocinesis. [23] La acción de andar en cinta de FtsZ es necesaria para la síntesis adecuada del tabique de división por las enzimas de síntesis de peptidoglicano septal, lo que sugiere que estas enzimas pueden rastrear los extremos en crecimiento de los filamentos.
Localización septal y señalización intracelular
La formación del anillo Z coincide estrechamente con los procesos celulares asociados con la replicación. La formación del anillo Z coincide con la terminación de la replicación del genoma en E. coli y el 70% de la replicación cromosómica en B. subtilis . [24] El momento de la formación del anillo Z sugiere la posibilidad de una señal espacial o temporal que permite la formación de filamentos FtsZ. En Escherichia coli , al menos dos reguladores negativos del ensamblaje de FtsZ forman un gradiente bipolar, de modo que la concentración crítica de FtsZ requerida para el ensamblaje de FtsZ es más baja en la mitad de la célula entre los dos cromosomas segregantes. Este tipo de regulación parece ocurrir en otras especies como Bacillus subtilis y Caulobacter crescentus . Sin embargo, otras especies, como Streptococcus pneumoniae y Myxococcus xanthus, parecen utilizar reguladores positivos que estimulan el ensamblaje de FtsZ en la mitad de la célula. [25]
Comunicar angustia
La polimerización FtsZ también está relacionada con factores estresantes como el daño al ADN . El daño del ADN induce la fabricación de una variedad de proteínas, una de ellas llamada SulA . [26] SulA previene la polimerización y la actividad GTPasa de FtsZ. SulA logra esta tarea enlazándose a sitios FtsZ que se reconocen por sí mismos. Al secuestrar FtsZ, la célula puede vincular directamente el daño del ADN con la inhibición de la división celular. [27]
Previniendo el daño del ADN
Al igual que SulA, existen otros mecanismos que previenen la división celular que daría como resultado la alteración de la información genética enviada a las células hijas. Hasta ahora, se han identificado dos proteínas en E. coli y B. subtilis que previenen la división sobre la región nucleoide: Noc y SlmA . Los knockouts del gen Noc dan como resultado células que se dividen sin tener en cuenta la región nucleoide , lo que resulta en su partición asimétrica entre las células hijas. El mecanismo no se comprende bien, pero se cree que implica el secuestro de FtsZ, evitando la polimerización sobre la región nucleoide. [28] El mecanismo utilizado por SlmA para inhibir la polimerización de FtsZ sobre el nucleoide [29] se comprende mejor y utiliza dos pasos separados. Un dominio de SlmA se une a un polímero FtsZ, luego un dominio separado de SlmA corta el polímero. [30] Se cree que MinC, otro inhibidor de la polimerización de FtsZ involucrado en el posicionamiento del anillo FtsZ, utiliza un mecanismo similar. [31]
Significación clínica
Actualmente está aumentando el número de cepas bacterianas resistentes a múltiples fármacos; por tanto, se necesita con urgencia la determinación de objetivos farmacológicos para el desarrollo de nuevos fármacos antimicrobianos. El papel potencial de FtsZ en el bloqueo de la división celular, junto con su alto grado de conservación en las especies bacterianas, convierte a FtsZ en un objetivo muy atractivo para el desarrollo de nuevos antibióticos. [32] Los investigadores han estado trabajando en moléculas sintéticas y productos naturales como inhibidores de FtsZ. [33]
Ver también
- Fisión (biología)
- Divisome
Referencias
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