Sistema mínimo

El Min System es un mecanismo compuesto por tres proteínas MinC , MinD y MinE utilizadas por E. coli como un medio para localizar adecuadamente el tabique antes de la división celular . Cada componente participa en la generación de una oscilación dinámica de inhibición de la proteína FtsZ entre los dos polos bacterianos para especificar con precisión la zona media de la célula, lo que permite que la célula se divida con precisión en dos. Se sabe que este sistema funciona junto con un segundo sistema regulador negativo, el sistema de oclusión nucleoide (NO), para garantizar la regulación espacial y temporal adecuada de la segregación y división cromosómicas.

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Desplazamiento del anillo Z y el macrodominio Ter en una célula de E. coli mutante doble larga ΔslmA Δmin. La fluorescencia del anillo Z se sigue utilizando una construcción ZipA-GFP (verde), mientras que el extremo cromosómico se marca con MatP-mCherry (rojo). Se superpone una imagen de contraste de fase (gris) para visualizar el contorno de la celda. La barra de escala es de 2 μm.

El descubrimiento inicial de esta familia de proteínas se atribuye a Adler et al. (1967). Identificado por primera vez como mutantes de E. coli que no podían producir un tabique adecuadamente localizado, lo que resultó en la generación de minicélulas [1] [2] debido a la división celular mal localizada que se produce cerca de los polos bacterianos. Esto provocó que las vesículas en miniatura se desprendieran, sin los componentes moleculares esenciales que le permitían existir como una célula bacteriana viable. Las minicélulas son células acromosómicas que son producto de una división celular aberrante y contienen ARN y proteínas, pero poco o nada de ADN cromosómico . Este hallazgo condujo a la identificación de tres proteínas que interactúan involucradas en un sistema dinámico de localización de la zona media de la célula para una división celular adecuadamente controlada.

Las proteínas Min evitan que el anillo FtsZ se coloque en cualquier lugar excepto cerca de la célula media y se supone que están involucradas en un mecanismo de regulación espacial que vincula los aumentos de tamaño antes de la división celular con la polimerización de FtsZ en el medio de la célula.

El sistema MinCDE. MinD-ATP se une a un polo celular, también se une a MinC, lo que evita la formación de polímeros FtsZ. El anillo MinE provoca la hidrólisis del ATP unido a MinD, convirtiéndolo en ADP y liberando el complejo de la membrana. El sistema oscila a medida que cada polo acumula una concentración de inhibidor que se desmonta periódicamente.

Centrado del anillo en Z

Un modelo de formación de anillos Z permite su formación solo después de una cierta señal espacial que le dice a la célula que es lo suficientemente grande para dividirse. [3] El sistema MinCDE evita la polimerización de FtsZ cerca de ciertas partes de la membrana plasmática. MinD se localiza en la membrana solo en los polos celulares y contiene una ATPasa y un dominio de unión a ATP. MinD solo puede unirse a la membrana cuando está en su conformación unida a ATP. Una vez anclada, la proteína se polimeriza, dando como resultado grupos de MinD. Estos grupos se unen y luego activan otra proteína llamada MinC , que tiene actividad solo cuando está unida por MinD. [4] MinC sirve como inhibidor de FtsZ que previene la polimerización de FtsZ. La alta concentración de un inhibidor de polimerización de FtsZ en los polos evita que FtsZ inicie la división en cualquier lugar excepto en la celda media. [5]

MinE participa en la prevención de la formación de complejos MinCD en el medio de la célula. MinE forma un anillo cerca de cada polo celular. Este anillo no es como el anillo en Z. En cambio, cataliza la liberación de MinD de la membrana activando la ATPasa de MinD. Esto hidroliza el ATP ligado a la mente, evitando que se ancle a la membrana.

MinE evita que el complejo MinD / C se forme en el centro pero permite que permanezca en los polos. Una vez que se libera el complejo MinD / C, MinC se inactiva. Esto evita que MinC desactive FtsZ. Como consecuencia, esta actividad imparte especificidad regional a la localización Min. [6] Por lo tanto, FtsZ solo se puede formar en el centro, donde la concentración del inhibidor MinC es mínima. Las mutaciones que evitan la formación de anillos MinE dan como resultado que la zona MinCD se extienda mucho más allá de las zonas polares, lo que evita que FtsZ se polimerice y realice la división celular. [7] MinD requiere un paso de intercambio de nucleótidos para volver a unirse al ATP para que pueda volver a asociarse con la membrana después de la liberación de MinE. El lapso de tiempo da como resultado una periodicidad de asociación Min que puede dar pistas sobre una señal temporal vinculada a una señal espacial. Las observaciones in vivo muestran que la oscilación de las proteínas Min entre los polos celulares se produce aproximadamente cada 50 segundos. [8] Sin embargo, la oscilación de las proteínas Min no es necesaria para todos los sistemas de división celular bacteriana. Se ha demostrado que Bacillus subtilis tiene concentraciones estáticas de MinC y MinD en los polos celulares. [9] Este sistema aún vincula el tamaño de la celda con la capacidad de formar un tabique a través de FtsZ y dividirse.

reconstitución in vitro

MinD (cian) perseguido por MinE (magenta) para formar ondas en espiral en una membrana artificial.

El comportamiento dinámico de las proteínas Min ha sido reconstituido in vitro utilizando bicapas lipídicas artificiales, [10] con composición lipídica variable [11] y diferente geometría de confinamiento [12] como imitadores de la membrana celular. El primer patrón que se reconstituyó fueron las ondas espirales de MinD perseguidas por MinE, [13] seguidas de la reconstitución de ondas de las tres proteínas, MinD, MinE y MinC. [14] Es importante destacar que MinD y MinE pueden autoorganizarse en una amplia variedad de patrones dependiendo de las condiciones de reacción. [15] [16]

Se requieren estudios adicionales para dilucidar el alcance de la señalización temporal y espacial permitida por esta función biológica. Estos sistemas in vitro ofrecieron un acceso sin precedentes a características como los tiempos de residencia y la motilidad molecular.


  1. ^ De Boer PA, Crossley RE, Rothfield LI (1989). "Un inhibidor de división y un factor de especificidad topológica codificado por el locus de minicélulas determinan la ubicación adecuada del tabique de división en E. coli". Celular . 56 (4): 641–649. doi : 10.1016 / 0092-8674 (89) 90586-2 . PMID  2645057 .
  2. ^ Adler HI, Fisher WD, Cohen A, Hardigree AA; Pescador; Cohen; Hardigree (1967). "Células de Escherichia coli en miniatura deficientes en ADN" . PNAS . 57 (2): 321–326. Código bibliográfico : 1967PNAS ... 57..321A . doi : 10.1073 / pnas.57.2.321 . PMC  335508 . PMID  16591472 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  3. ^ Weart RB, Levin PA (2003). "Regulación dependiente de la tasa de crecimiento de la formación del anillo FtsZ medial" . J Bacteriol . 185 (9): 2826–2834. doi : 10.1128 / JB.185.9.2826-2834.2003 . PMC  154409 . PMID  12700262 .
  4. ^ Hu Z, Gogol EP, Lutkenhaus J (2002). "Montaje dinámico de MinD en vesículas de fosfolípidos reguladas por ATP y MinE" . Proc Natl Acad Sci USA . 99 (10): 6761–6766. Código Bibliográfico : 2002PNAS ... 99.6761H . doi : 10.1073 / pnas.102059099 . PMC  124476 . PMID  11983867 .
  5. ^ Huang KC, Meir Y, Wingreen NS (2003). "Estructuras dinámicas en Escherichia coli: formación espontánea de anillos MinE y zonas polares MinD" . Proc Natl Acad Sci USA . 100 (22): 12724-12728. Código Bib : 2003PNAS..10012724H . doi : 10.1073 / pnas.2135445100 . PMC  240685 . PMID  14569005 .
  6. ^ Hu Z, Saez C, Lutkenhaus J (2003). "Reclutamiento de MinC, un inhibidor de la formación de anillo Z, a la membrana en Escherichia coli: papel de MinD y MinE" . J Bacteriol . 185 (1): 196-203. doi : 10.1128 / JB.185.1.196-203.2003 . PMC  141945 . PMID  12486056 .
  7. ^ Hu Z, Lutkenhaus J (2001). "Regulación topológica de la división celular en E. coli: oscilación espacio-temporal de MinD requiere estimulación de su ATPasa por MinE y fosfolípidos". Mol Cell . 7 (6): 1337-1343. doi : 10.1016 / S1097-2765 (01) 00273-8 . PMID  11430835 .
  8. ^ Dajkovic A, Lutkenhaus J (2006). "Anillo Z como ejecutor de la división de células bacterianas". J Mol Micro Bio . 11 (3-5): 140-151. doi : 10.1159 / 000094050 . PMID  16983191 .
  9. ^ Marston AL, Thomaides HB, Edwards DH, Sharpe ME, Errington J (1998). "Localización polar de la proteína MinD de Bacillus subtilis y su papel en la selección del sitio de división celular media" . Genes Dev . 12 (21): 3419–3430. doi : 10.1101 / gad.12.21.3419 . PMC  317235 . PMID  9808628 .
  10. ^ Flojo, Martin; Fischer-Friedrich, Elisabeth; Ries, Jonas; Kruse, Karsten; Schwille, Petra (9 de mayo de 2008). "Los reguladores espaciales para la división celular bacteriana se autoorganizan en ondas superficiales in vitro". Ciencia . 320 (5877): 789–792. Código Bibliográfico : 2008Sci ... 320..789L . doi : 10.1126 / science.1154413 . ISSN  1095-9203 . PMID  18467587 .
  11. ^ Vecchiarelli, Anthony G .; Li, Min; Mizuuchi, Michiyo; Mizuuchi, Kiyoshi (1 de agosto de 2014). "Las afinidades diferenciales de MinD y MinE a fosfolípidos aniónicos influyen en la dinámica de patrones de Min in vitro" . Microbiología molecular . 93 (3): 453–463. doi : 10.1111 / mmi.12669 . ISSN  1365-2958 . PMC  4116444 . PMID  24930948 .
  12. ^ Zieske, Katja; Schwille, Petra (1 de enero de 2014). "Reconstitución de gradientes de proteínas autoorganizadas como señales espaciales en sistemas libres de células" . eLife . 3 . doi : 10.7554 / eLife.03949 . ISSN  2050-084X . PMC  4215534 . PMID  25271375 .
  13. ^ Flojo, Martin; Fischer-Friedrich, Elisabeth; Ries, Jonas; Kruse, Karsten; Schwille, Petra (9 de mayo de 2008). "Los reguladores espaciales para la división celular bacteriana se autoorganizan en ondas superficiales in vitro". Ciencia . 320 (5877): 789–792. Código Bibliográfico : 2008Sci ... 320..789L . doi : 10.1126 / science.1154413 . ISSN  1095-9203 . PMID  18467587 .
  14. ^ Flojo, Martin; Fischer-Friedrich, Elisabeth; Herold, Christoph; Kruse, Karsten; Schwille, Petra (9 de mayo de 2011). "Los patrones de proteínas Min surgen de la rápida unión y la interacción de membrana de MinE". Nat Struct Mol Biol . 18 (5): 577–83. doi : 10.1038 / nsmb.2037 . PMID  21516096 .
  15. ^ Ivanov, V .; Mizuuchi, K. (8 de marzo de 2010). "Múltiples modos de interconvertir la formación de patrones dinámicos por proteínas de división celular bacteriana" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 107 (18): 8071–8078. doi : 10.1073 / pnas.0911036107 . ISSN  0027-8424 .
  16. ^ Vecchiarelli, Anthony G .; Li, Min; Mizuuchi, Michiyo; Hwang, Ling Chin; Seol, Yeonee; Neuman, Keir C .; Mizuuchi, Kiyoshi (15 de marzo de 2016). "El complejo MinDE unido a membrana actúa como un interruptor de palanca que impulsa la oscilación mínima acoplada al agotamiento citoplásmico de MinD" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 113 (11): E1479–1488. Código bibliográfico : 2016PNAS..113E1479V . doi : 10.1073 / pnas.1600644113 . ISSN  1091-6490 . PMC  4801307 . PMID  26884160 .