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Titel:New mechanisms controlling the positioning and activity of the ParABS chromosome partition system
Autor:Osorio Valeriano, Manuel
Weitere Beteiligte: Thanbichler, Martin (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2021
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2021/0077
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2021-00776
DOI: https://doi.org/10.17192/z2021.0077
DDC:570 Biowissenschaften, Biologie
Publikationsdatum:2021-09-02
Lizenz:https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/

Dokument

Schlagwörter:
Mikrobiologie, DNA-Segregation, Zellbiologie, DNA segregation, Cell biology, Microbiology

Summary:
DNA segregation is a central process in biology which ensures that every daughter cell receives the full complement of genetic information upon cell division. In bacteria, the most widespread mechanism to segregate DNA is the tripartite ParABS system. It includes a DNA-binding protein named ParB, which interacts with centromere-like parS sequences typically located close to the origin of replication. After initial binding to parS, ParB spreads to adjacent DNA regions, giving rise to a large nucleoprotein complex known as the partition complex. It then interacts dynamically with the third component of the ParABS system, the P-loop ATPase ParA, which directs the progressive movement of the partition complex towards opposite cell poles by a ratchet-like mechanism. The ParABS system is often organized by polar landmarks that anchor the origin of replication at specific locations within the cell and sequester free ParA, likely enhancing the robustness of the segregation process. In this work, we identify the bactofilin cytoskeleton as a new organizer of the ParABS DNA-segregation machinery in Myxococcus xanthus. We show that the ParBS partition complex associates with the pole-distal ends of the bactofilin filaments, whereas ParA binds along their entire length, recruited by the ParB-like protein PadC. Structural studies of PadC revealed that the ParB/Srx domain of this protein functions as a nucleotidebinding domain that specifically interacts with the ribonucleotide CTP. CTP-binding keeps the ParB/Srx domain of PadC in a closed-dimer conformation that is necessary for the interaction with ParA. Remarkably, we show that CTP-binding is conserved in ParB. In this protein, the CTP-dependent dimerization of the N-terminal ParB/Srx domain is catalyzed by parS. In contrast to PadC, ParB exhibits CTPase activity. We show that CTP binding and hydrolysis are necessary for partition complex formation and function. Our results identify ParB homologues as a new class of nucleotide switches that use CTP instead of ATP or GTP and thus, open the possibility that CTP could regulate the function of other protein families. In addition to its role in chromosome segregation, ParB participates in cell division in Caulobacter crescentus by recruiting the negative regulator of FtsZ polymerization, MipZ, to the cell poles, thereby limiting the assembly of the cytokinetic FtsZ ring to the midcell region. In this study, we show that the MipZ system is conserved in alphaproteobacteria. However, the mechanisms by which it regulates cell division might have adapted to the specific needs of the host organism.

Zusammenfassung:
Die DNA Segregation ist ein zentraler biologischer Prozess, der sicherstellt, dass jede Tocherzelle, die aus einer Zellteilung hervorgeht, die vollständige genetische Erbinformation erhält. Der am weitesten verbreiteten DNA-Segregationsmechanismus in Bakterien stellt das ParABS-System dar. Dieses System besteht aus einem DNA-Bindeprotein (ParB), welches an zentromerähnliche parS-Sequenzen in der Nähe des Replikationsursprungs bindet. Von dort breitet sich ParB über benachbarte DNA-Regionen aus und bildet so einen großen Nukleoproteinkomplex, der auch als Segregationskomplex bekannt ist. Dieser interagiert dynamisch mit der dritten Komponente des ParABS-Systems, der P-Loop ATPase ParA, welche die gerichtete Bewegung des Segregationskomplexes zum gegenüberliegenden Zellpol über einen Ratschen-Mechanismus vermittelt. Das ParABS-System wird oftmals durch sogenannte polare Landmarken organisiert, die den Replikationsursprung an spezifischen Stellen innerhalb der Zelle verankern und freie ParA Moleküle „festhalten“. Dadurch wird sehr wahrscheinlich die Robustheit des Segregationsprozesses verstärkt. In der vorliegenden Arbeit identifizieren wir das Bactofilin-Zytoskelett von Myxococcus xanthus als neuartigen Organisator des ParABS-DNA-Segregationsapparates. Wir zeigen, dass der ParBSTeilungskomplex mit den vom Zellpol entfernten Enden der Bactofilin-Filamente assoziiert, wohingegen ParA-Moleküle mit Hilfe des Adapterproteins PadC entlang der gesamten Länge der Filamente binden. Strukturelle Studien an PadC zeigten, dass seine ParB/Srx-Domäne als Nukleotidbindedomäne fungiert, die spezifisch mit dem Ribonukleotid CTP interagiert. Durch die Bindung von CTP wird die ParB/Srx-Domäne von PadC in einer geschlossenen Dimer-Konformation gehalten, welche für die Interaktion mit ParA nötig ist. Wir konnten wir zeigen, dass die Fähigkeit zur CTP-Bindung in ParB konserviert ist. In diesem Protein wird die CTP-abhängige Dimerisierung der N-terminalen ParB/Srx- Domäne durch parS katalysiert. Im Gegensatz zu PadC besitzt ParB CTPase-Aktivität. Wir zeigen, dass CTP-Bindung und -Hydrolyse für die Bildung und Funktion des Segregationskomplexes nötig sind. Unsere Ergebnisse identifizieren ParB-Homologe als eine neue Klasse von nukleotidabhängigen Schaltern, die CTP anstelle von ATP oder GTP nutzen. Es erscheint daher möglich, dass CTP auch die Funktion anderer Proteinfamilien regulieren könnte. Zusätzlich zu seiner Rolle in der Chromosomensegregation erfüllt ParB in Caulobacter crescentus eine wichtige Funktion bei der Zellteilung, indem es MipZ, einen negativen Regulator der FtsZPolymerisation, zu den Zellpolen rekrutiert. Dadurch wird die Assemblierung des Zellteilungsapparats auf die Zellmitte beschränkt. In der vorliegenden Arbeit zeigen wir, dass das MipZ-System in Alphaproteobakterien konserviert ist, sein Wirkungsmechanismus aber an die spezifischen Anforderungen des jeweiligen Organismus adaptiert wurde.


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