Biochemistry of the key spatial regulators MipZ and PopZ in Caulobacter crescentus

Bacteria are known to tightly control the spatial distribution of certain proteins by positioning them to distinct regions of the cell, particularly the cell poles. These regions represent important organizing platforms for several processes essential for bacterial survival and reproduction. The pro...

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Main Author: Refes, Yacine
Contributors: Thanbichler, Martin (Prof. Dr) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2018
Biologie
Subjects:
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Table of Contents: Bakterien sind dafür bekannt bestimmte Proteine in bestimmten Regionen der Zelle zu positionieren, vor allem an den Zellpolen. Diese Regionen stellen wichtige Organisationsplattformen für Prozesse dar, die für das Überleben und die Reproduktion der Zellen essentiell sind. Proteine oder Proteinkomplexe, die an den Polen verankert sind, rekrutieren ihrerseits Interaktionspartner aus dem Zytoplasma. Das α-Proteobakterium Caulobacter crescentus besitzt eine selbstorganisierende polare Matrix, die aus dem Protein PopZ besteht. PopZ rekrutiert an den Zellpolen verschiedene andere Proteine, die in verschiedene essentielle Prozesse involviert sind, wie die Chromosomensegregation und die Regulation der Zellteilung. Der räumliche Regulator MipZ ist ebenfalls an den Polen lokalisiert und koordiniert die Chromosomensegregation mit der Zellteilung. Die zwei polaren Proteine PopZ und MipZ interagieren physikalisch mit dem Centromer-Bindeprotein ParB. ParB ist ein essentielles Element des Chromosomen-segragationssystems von C. crescentus. Die Hauptfunktion der ATPase MipZ ist die Positionierung der Zellteilungsebene durch die räumliche Begrenzung der Polymerisation des Zellteilungsproteins FtsZ zur Zellmitte. MipZ erreicht dies durch unspezifische Interaktion mit chromosomaler DNA, die zu einer gradientenartigen Verteilung innerhalb der Zelle führt. Dabei liegt eine hohe Konzentration von MipZ an den Polen und niedrige in der Zellmitte vor. Vor Dadurch wird die Polymerisation von FtsZ nur in der Zellmitte erlaubt. Die Ausbieldung des bipolen MipZ-Gradienten eng an die Etablierung der multimeren PopZ-Matrix an den Polen gekoppelt, da diese die Verankerung des ParB-parS-Komplexes an den Polen sicherstellt. In dieser Studie wurde die inhibierende Rolle des polaren Elements MipZ auf die FtsZ-Polymerisation untersucht. Weiterhin wurden die Interaktionsregionen von MipZ mit seinen drei Interaktionspartnern, ParB, FtsZ und DNA charakterisiert. Wir haben herausgefunden, das MipZ, ähnlich wie der FtsZ-Inhibitor MinC aus Escherichia coli, sowohl die Polymerization von FtsZ verhindern als auch FtsZ-Polymere verkürzen kann. Unsere Resultate zeigen, dass der inhibitorische Effekt von MipZ auf die FtsZ-Polymerization unabhängig ist von der Fähigkeit die GTPase-Aktivität von FtsZ zu stimulieren. Die Identifiziernung der Interaktionsflächen von MipZ zeigte eine Überlappung der DNA- und ParB-Binderegionen, die hauptsächlich aus positiv geladenen Resten bestehen. Für die Bindung von FtsZ scheinen zwei verschiedene Regionen von MipZ verantwortlich zu sein. Der polare Faktor PopZ wurde gereinigt und analysiert um relevante Daten über die Zusammensetzung der Sekundärstruktur und die Assemblierung in komplexere Strukturen zu gewinnen. Unsere in vitro Analysen von PopZ zeigten unter anderem, dass dieses Protein vor allen aus α-Helices und unstrukturierten Regionen aufgebaut ist. Zudem bildet es, anders als bisher berichtet, gerade filamentartige Strukturen. Alles in allem haben wir mit dieser Studie weitere Erkenntnisse über zwei Schlüsselelemente von C. cresentus gewonnen.