Cytoskeletons as polar landmarks: characterization of bactofilin homologs in Myxococcus xanthus

Bacteria, similar to eukaryotes, possess cytoskeletons that are involved in the temporal and spatial organization of various cellular processes, including cell division, cell morphogenesis, cell polarity, as well as DNA partitioning. Out of these elements, the tubulin homolog FtsZ, the actin homolog...

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Main Author: Lin, Lin
Contributors: Thanbichler, Martin (Junior-Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2013
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Online Access:PDF Full Text
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Table of Contents: Bakterien besitzen, ähnlich wie Eukaryoten, Zytoskelettelemente, die an der zeitlichen und räumlichen Organisation von zellulären Prozessen beteiligt sind und beispielsweise eine Rolle bei der Zellteilung, Chromosomensegregation, Zellmorphogenese sowie bei der Bestimmung der Zellpolarität spielen. Zu den wohl am weitesten verbreiteten Vertretern der bakteriellen Zytoskelettelemente zählen das Tubulin-Homolog FtsZ, das Actin-Homolog MreB und die Intermediärfilament-ähnlichen (IF) Proteine. Darüber hinaus wurde in den letzten Jahren eine Vielzahl von nicht-kanonischen Zytoskelettelementen identifiziert, zu denen unter anderem die sogenannten Bactofiline gehören, welche kürzlich für Caulobacter crescentus erstmals beschrieben wurden. Bactofiline sind unter Mikroorganismen weit verbreitet, zeigen jedoch weder auf Sequenz- noch auf Strukturebene eine Ähnlichkeit zu bekannten Zytoskelettelementen. Darüber hinaus besitzt eine Vielzahl von Bakterienspezies zwei oder mehr paraloge Proteine dieser Protein-Klasse. Dies ist vermutlich auf mehrere Genduplikationsereignisse zurück zu führen und deutet auf eine funktionelle Diversifizierung der Bactofiline hin. Ein Bespiel für die funktionelle Vielfalt dieser Zytoskelettelemente wurde kürzlich für die beiden Baktofilin-Homologe BacP und BacM aus Myxococcus xanthus erbracht. Während BacP bipolare Filamente ausbildet und essentiell für die Positionierung des Zellpolaritätsfaktors SofG ist, nimmt BacM Einfluss auf die Ausprägung der Zellform. Im Rahmen dieser Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass in M. xanthus BacP zusammen mit zwei weiteren paralogen Proteinen, BacO und BacN, zudem eine entscheidende Funktion bei der Stabilisierung des Chromosomensegregationsapparates übernimmt. Es wurde gezeigt, dass BacN-P in bipolare Filamente co-polymerisieren und dabei die korrekte Anordnung der Proteine ParA und ParB koordinieren, welche eine essentielle Rolle bei der bakteriellen DNA-Segregation übernehmen. Die Abwesenheit von BacN-P führt zu einer fehlerhaften Lokalisation von ParA und ParB in der Zelle und beeinträchtigt somit die korrekte Verteilung des genetischen Materials im Zuge der Zellteilung. Protein-Interaktionsstudien haben darüber hinaus zur Identifizierung von BadA geführt, einer ParB-ähnlichen Nuklease, welche vermutlich direkt mit ParA interagiert und gemeinsam mit BacN-P den korrekten Ablauf der DNA-Segregation ermöglicht. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass Bactofiline in M. xanthus als eine Art molekulare Plattform betrachtet werden können, die für die korrekte Positionierung und Stabilisierung von polaren und subpolaren Proteinkomplexen verantwortlich sind. Trotz fehlender Sequenzähnlichkeit wurde eine ähnliche gerüstbildende Funktion bereits für PopZ aus C. crescentus und für das in Gram-positiven Bakterien vorkommende Protein DivIVA postuliert. Diese funktionelle Analogie legt daher die Vermutung nahe, dass die Anwesenheit von Proteinen, die in übergeordnete makromolekulare Strukturen polymerisieren können und dadurch die Assemblierung und polare Lokalisation von Proteinen vermitteln, eine weitverbreitete Strategie zur subzellulären Organisation der Polregion in Bakterien ist.