Study of a sociable molecule: Mapping the binding interfaces of the cell division regulator MipZ in Caulobacter crescentus

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.