title: Die P-loop ATPase MipZ - Mechanismus der Bildung eines Proteingradienten in einer prokaryotischen Zelle
title: The P-loop ATPase MipZ - mechanism of protein gradient formation in a prokaryotic cell
Creators: name: Kiekebusch, Daniela
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2011
Subjects: DNA-Segregationssystem
DNA partitioning protein
ParA-ähnliche ATPase
ParA-like ATPase
Zellskelett
Min-System
Biowissenschaften, Biologie
Soj
FtsZ
Min system

description: Biologische Systeme, sei es auf
      zellulärer oder einer höher geordneten Ebene, zeichnen sich
      durch eine erstaunliche Komplexität aus. Diese beruht unter
      anderem auf der räumlichen Heterogenität regulatorischer
      Schlüsselkomponenten. Das wohl am besten untersuchte Beispiel
      stellen extrazelluläre Morphogene dar, die in multizellulären
      Organismen durch Ausbildung eines auf Diffusion basierenden
      Konzentrationsgradienten zahlreiche Entwicklungsprozesse
      regulieren. Dieses Muster setzt sich in Eukaryoten auf der
      zellulären Ebene fort, wo Konzentrations- und
      Phosphorylierungsgradienten sowie Ran-GTP-Gradienten an der
      Homöostase der Zellgröße, der Regulation der
      Chromosomensegregation, der Zellteilung, der Adhäsion und der
      Zellmigration beteiligt sind. Lange Zeit wurde davon
      ausgegangen, dass solche Gradienten in prokaryotischen
      Organismen aufgrund ihrer geringen Größe nicht aufrecht
      erhalten werden können. Heutzutage ist jedoch bekannt, dass
      diffusionsbasierte Phosphorylierungsgradienten in Bakterien
      sowohl an der räumlichen Organisation der Zelle als auch an
      der Etablierung einer Asymmetrie beteiligt sind. Die Existenz
      eines statischen Konzentrationsgradienten in Bakterien wurde
      durch die Entdeckung und funktionelle Charakterisierung des
      MipZ-Proteins gezeigt. Diese orphan P-loop-ATPase bildet in
      dem α-Proteobakterium C. crescentus einen bipolaren
      Gradienten aus, welcher die Positionierung der Teilungsebene
      kontrolliert. MipZ interagiert mit dem
      parS/ParB-Nukleoproteinkomplex in der Nähe des chromosomalen
      Replikationsursprungs. Nach Eintritt in die S-Phase werden
      die replizierten Ursprünge getrennt und an den beiden
      Zellpolen verankert. Als Resultat bildet MipZ einen
      Konzentrationsgradienten aus, dessen Maxima in den polaren
      Bereichen liegen und dessen Minimum sich in der Zellmitte
      befindet. Da MipZ ein Inhibitor der Z-Ring-Assemblierung ist,
      beschränkt es auf diese Weise die Positionierung der
      Teilungsebene auf die Mitte der Zelle. In der vorliegenden
      Arbeit wurde der dem Konzentrationsgradienten von MipZ
      zugrundeliegende Mechanismus charakterisiert. Unter
      Zuhilfenahme von Substitutionsvarianten, die den
      ATPase-Zyklus von MipZ auf der Ebene der Nukleotidbindung,
      der ATP-abhängigen Dimerisierung oder der ATP-Hydrolyse
      unterbrechen, konnte gezeigt werden, dass die Grundlage des
      Gradienten ein durch die ATPase-Aktivität kontrollierter
      Wechsel zwischen einer monomeren und einer dimeren Form ist,
      welche unterschiedliche Interaktionsnetzwerke und als Folge
      dessen abweichende Mobilitäten in vivo zeigen. Monomeres MipZ
      interagiert mit ParB und wird dadurch zu den Polen
      rekrutiert, wohingegen dimeres MipZ die biologisch aktive
      Form darstellt, die mit FtsZ interagiert. Darüber hinaus
      bindet das MipZ-Dimer an das Nukleoid, wodurch es in seiner
      Beweglichkeit gegenüber dem Monomer eingeschränkt wird. Da
      MipZ-Monomere durch die Interaktion mit ParB in den polaren
      Bereichen konzentriert werden, erfolgt die Dimerisierung mit
      großer Wahrscheinlichkeit am Pol. Von dort ausgehend
      diffundieren Dimere, verlangsamt durch ihre Assoziation mit
      der DNA, in Richtung Zellmitte, so dass der Gradient als eine
      asymmetrische Verteilung von MipZ-Dimeren betrachtet werden
      kann. Eine mathematische Modellierung des Systems auf
      Grundlage der experimentellen Daten könnte dieses Modell
      unterstützen. Ferner ist eine nähere Betrachtung der
      MipZ-FtsZ-Interaktion von besonderem Interesse, vor allem mit
      Hinblick auf die ebenfalls nur ungenügend verstandene
      Interaktion von FtsZ mit MinC, welches der Inhibitor der
      polaren Z-Ring-Assemblierung in E. coli und B. subtilis ist.
      Ein Sequenzvergleich mit weiteren P-loop-ATPasen zeigte, dass
      sich MipZ in die Mrp/MinD-Familie von P-loop-ATPasen
      einordnen lässt. Mitglieder dieser Familie sind an der
      Regulierung diverser zellulärer Abläufe beteiligt, wie z. B.
      Stickstofffixierung, Chromosomensegregation und Zellteilung.
      Eine eingehende phylogenetische Analyse von MipZ-Homologen
      veranschaulichte, dass diese eine distinkte, bisher nicht
      definierte Unterfamilie der Mrp/MinD-Proteine bilden, die am
      nächsten mit den in der Chromosomensegregation involvierten
      ParA/Soj-Proteinen verwandt ist. Mikrobielle Genome kodieren
      zahlreiche weitere orphan P-loop-ATPasen und es bleibt
      abzuwarten, wo sich diese einordnen lassen und welche
      Funktionen sie übernehmen.
description: Protein gradients have a key role
      in the spatial regulation of biological processes, thereby
      contributing to the complexity of both prokaryotic and
      eukaryotic organisms. In eukaryotes, intracellular protein
      and protein phosphorylation gradients were shown to be
      involved in embryonic development, mitotic spindle
      morphogenesis and cell division. Similarly, phosphorylation
      gradients are critical for the establishment of asymmetry in
      prokaryotes. However, well-studied examples for protein
      concentration gradients are still rare for these organisms.
      At the scale of a small prokaryotic cell, intracellular
      concentration gradients have long been assumed to be
      unsustainable due to the process of diffusion. Nevertheless,
      steady-state concentration gradients can be maintained in
      bacteria, as exemplified by the bipolar gradient of the
      P-loop-ATPase MipZ which is required for proper division site
      placement in the α-proteobacterium Caulobacter crescentus.
      MipZ interacts with a kinetochore-like nucleoprotein complex
      formed by the chromosome segregation protein ParB in the
      vicinity of the chromosomal origin of replication. Upon entry
      into S-phase, the two newly duplicated origin regions are
      partitioned and sequestered to opposite cell poles, resulting
      in a bipolar distribution of MipZ with a defined
      concentration minimum at mid-cell. Acting as a direct
      inhibitor of the essential cell division protein FtsZ, MipZ
      thus restricts cytokinesis to the cell center. In this study,
      the mechanism underlying the formation of the MipZ gradient
      was analyzed. Based on the crystal structures of the apo and
      ATP-bound protein and by means of mutant variants of MipZ, I
      dissected the role of nucleotide binding and hydrolysis.
      Gradient formation is found to rely on nucleotide-regulated
      alternation of MipZ between a monomeric and dimeric form.
      MipZ monomers interact with ParB, which results in the
      recruitment of MipZ to the polar regions of the cell. Upon
      ATP binding, MipZ dimerizes and is converted into its
      biologically active form that inhibits FtsZ assembly.
      Moreover, diffusion of the dimer is decelerated by its
      association with the nucleoid. The MipZ gradient can thus be
      envisioned as an asymmetric distribution of dimers that are
      released from a polar pool and slowly diffuse towards
      mid-cell. By virtue of the marked differences in the
      interaction networks and diffusion rates of monomers and
      dimers, ATP hydrolysis promotes oscillation of MipZ between
      the polar ParB complexes and pole-distal regions of the
      nucleoid. The MipZ gradient thus represents the steady-state
      distribution of molecules in a highly dynamic system,
      providing a general mechanism for the establishment of
      protein gradients within the confined space of the bacterial
      cytoplasm. The generation of a concentration gradient by a
      P-loop-ATPase of the Mrp/MinD family exemplifies the diverse
      regulatory strategies and interaction networks that are used
      by different family members to fulfill their particular
      function in the cell. Concurrently, the unique features of
      MipZ identify it as the member of a novel subfamily of
      Mrp/MinD proteins.