title: Study of a sociable molecule: Mapping the binding interfaces of the cell division regulator MipZ in Caulobacter crescentus
title: Study of a sociable molecule: Mapping the binding interfaces of the cell division regulator MipZ in Caulobacter crescentus
title: Untersuchung des sozialen Moleküles: Mechanismus der Bindungsinteraktion von Zellteilungsregulator MipZ in Caulobacter crescentus
Creators: name: He, Binbin
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2014
Subjects: MipZ
Caulobacter crescentus
bacterial cell division
bacterial cell division, Caulobacter crescentus
Life sciences
Biowissenschaften, Biologie

description: In den meisten Bakterien wird die
      Zellteilung durch die Assemblierung des Tubulin-Homologs FtsZ
      in eine ringähnliche Struktur, den sogenannten „Z-Ring“
      eingeleitet. Der Z-Ring markiert die zukünftige Teilungsebene
      und rekrutiert direkt oder indirekt alle weiteren
      Zellteilungsproteine. Bakterien haben unterschiedliche
      regulatorische Mechanismen entwickelt, um die korrekte
      Positionierung des Z-Rings sicherzustellen. Im
      Modellorganismus Caulobacter crescentus ist die
      Positionierung des Z-Rings von der P-loop ATPase MipZ
      abhängig. MipZ bildet einen bipolaren Gradienten in der Zelle
      und agiert als Inhibitor von FtsZ, welches dadurch
      ausschließlich in der Zellmitte polymerisieren kann. Die
      Bildung des Gradienten beruht auf einem Wechsel von MipZ
      zwischen einem monomeren und dimeren Zustand, welche
      unterschiedliche Interaktionspartner und Diffusionsraten
      aufweisen. Aus diesem Verhalten ergibt sich ein dynamischer
      Lokalisationzyklus, in dem die MipZ-Moleküle zwischen
      unspezifischer chromosomaler DNA und polar lokalisiertem ParB
      oszillieren. In dieser Studie wurde die Funktion von MipZ
      untersucht, indem die Bindestellen von FtsZ, ParB und
      chromosomaler DNA auf MipZ kartiert wurden. Dazu wurden
      systematische oberflächenexponierte Reste mit Hilfe von
      ortsgerichteter alanine-scanning Mutagenese ausgetauscht. Die
      mutierten Proteine wurden anschließend auf ihre zelluläre
      Verteilung sowie auf ihre Fähigkeit, die Zellteilungsebene
      korrekt zu platzieren, untersucht. Es konnten vier
      Aminosäuren-Cluster identifiziert werden, welche eine
      entscheidende Rolle für die Aktivität von MipZ hatten. Zwei
      von ihnen sind für die Bindung von FtsZ und chromosomaler DNA
      verantwortlich, die anderen zwei vermitteln die Interaktion
      mit ParB. Bemerkenswert ist, dass sich die DNA- und die
      FtsZ-Bindetasche aus Resten von beiden monomeren
      Untereinheiten zusammensetzen und einander gegenüber liegen.
      Diese Beobachtung steht in Einklang mit bisherigen
      Ergebnissen, welche darauf hindeuten, dass die Zellteilung
      auschließlich durch die dimere Form reguliert wird und nur
      diese zur Interaktion mit DNA und FtsZ fähig ist. Es zeigte
      sich zudem, dass die DNA-Binderegion zum Großteil aus positiv
      geladenen Arginin- und Lysin-Resten besteht. In vivo und in
      vitro Experimente zeigten, dass Mutationen in diesen Resten
      die DNA-Bindekapazität von MipZ in unterschiedlichem Maß
      verringern. Mutationen in R194 und R198 führten darüberhinaus
      zur vollständigen Inhibition der MipZ-DNA-Interaktion. Diese
      Ergebnisse liefern erstmals detaillierte Einblicke in die
      Interaktionsdeterminanten von MipZ und erweitern unser
      Verständnis des molekularen Mechanismus, der der Aktivität
      dieses faszinierenden Zellteilungsregulators zu Grunde
      liegt.
description: In most bacteria, cell division
      requires assembly of FtsZ, the tubulin homologue, into a
      ring-like structure, the so-called Z-ring. The Z-ring acts as
      a scaffold for the cell division machinery and marks the
      future division site. To precisely localize the Z-ring,
      bacteria have evolved different regulatory mechanisms. In the
      model organism Caulobacter crescentus, Z-ring positioning
      depends on a P-loop ATPase, MipZ. MipZ forms bipolar
      gradients within the cell and acts as an inhibitor of FtsZ
      polymerization, thereby restricting assembly of the Z-ring to
      the midcell region. Gradient formation is driven by the
      alternation of MipZ between a monomeric and dimeric state
      with distinct interaction patterns and diffusion rates. This
      alternation results in a dynamic localization cycle, in which
      MipZ continuously oscillates between non-specific chromosomal
      DNA and the polarly localized ParB protein. In this study, we
      investigated the function of MipZ by mapping its interaction
      interfaces with FtsZ, ParB and DNA. We systematically
      exchanged surface-exposed residues using alanine-scanning
      mutagenesis. Analyzing the subcellular distribution of the
      mutant proteins as well as their ability to support division
      site placement, we identified four clusters of residues that
      are important for MipZ activity. Two of them are likely
      responsible for contacting FtsZ and chromosomal DNA,
      respectively, whereas the other two appear to be involved in
      the interaction with ParB. Notably, the DNA-binding and
      FtsZ-binding interfaces of MipZ comprise residues from both
      monomeric subunits and are located on opposite sides of the
      dimer. This result is consistent with the previous finding
      that the regulatory effect of MipZ is specific for its
      dimeric form and that only the dimeric form contacts DNA and
      FtsZ. We also found that the DNA-binding region mainly
      consists of positively charged arginine and lysine residues.
      In vivo and in vitro studies showed that mutation of these
      residues impairs the DNA-binding activity of MipZ to
      different extents; moreover, mutation of R194 and R198
      abolished the MipZ-DNA interaction. These results provide the
      first detailed analysis of the interaction determinants of
      MipZ and deepen our knowledge of the molecular mechanism
      underlying the function of this intriguing cell division
      regulator.