Understanding cell division and its regulation in the human pathogenic bacterium, Vibrio parahaemolyticus

Bakterien durchlaufen einen hochgradig organisierten Zellteilungsprozess bei welchem die Platzierung der Zellteilungsmaschinerie präzise reguliert ist. Dadurch wird sichergestellt, dass Tochterzellen mit vollständigen Erbinformationen erzeugt werden. So haben Bakterien Mechanismen entwickelt, um die räumlich-zeitliche Dynamik und Lokalisation von Zellteilungs-Proteinen in Übereinstimmung mit dem Zellzyklus zu steuern. Die Zellteilung muss bei der Differenzierung von Bakterien besonders stark reguliert werden, wenn Veränderungen zwischen verschiedenen Zellmorphologien die Komplexität des Prozesses erhöhen. Vibrio parahaemolyticus existiert als Schwimmer- und Schwärmerzelle, spezialisiert auf das Wachstum in flüssiger bzw. fester Umgebung. Schwärmerzellen sind vermutlich durch eine regulierte Hemmung der Zellteilung während der Differenzierung stark verlängert. Dennoch müssen sich diese Zellen teilen, um die Kolonie zu vermehren und zu erweitern. Die Regulatoren, welche die drastisch unterschiedlichen Zellgrößen zwischen den beiden Zelltypen (Schwimmer und Schwärmer) ermöglichen und die Faktoren, die ihre Zellteilung steuern, sind unbekannt. Hier zeigen wir, dass Schwärmerzellen jeglicher Zelllängen Teilungen durchlaufen, jedoch die Platzierung der Teilungsstelle zelllängenabhängig ist. Kurze Schwärmerzellen teilen sich in der Mitte der Zelle, während lange Schwärmerzellen die Teilungsstelle näher am Zellpol platzieren (Pol-proximal). Wir zeigen, dass der Übergang zur Pol-proximalen Platzierung der Teilungsstelle zelllängenabhängig ist. Unsere Forschung zeigt außerdem, dass V. parahaemolyticus das Min-System verwendet, um die längenabhängige (LD) Teilungsstelle in den Schwärmerzellen zu markieren. Durch mikroskopische Experimente zeigen wir, dass die Dynamik des Teilungsregulators MinD von einer Pol-zu-Pol-Schwingung in kurzen Schwärmerzellen zu einer Multi-Knoten-Stehwellenschwingung in langen Schwärmerzellen wechselt. Zusätzlich beschränkt die Regulierung des FtsZ-Spiegels die Anzahl der Teilungen auf eine pro Zellzyklus. Hinzukommend verhindert SlmA die Z-Ring-Bildung über dem Nukleoid, indem es freie FtsZ Moleküle sequestriert und deren Polymerisation unterbindet. Wir zeigen auch, dass sich die Zelle trotz mehrerer Min-Minima, die bei einer Stehwellenschwingung von MinD entstehen, am äußersten, polgelegenen Min-Minimum teilt. Durch die Begrenzung der Anzahl der Teilungsereignisse auf ein Ereignis pro Zellteilung, fördert V. parahaemolyticus den Erhalt langer Schwärmerzellen und ermöglicht die Schwärmerzellteilung ohne Dedifferenzierung. Darüber hinaus zeigen wir, dass die ParA-ähnliche ATPase, ParC, die zuvor als Zellpoldeterminant in Vibrios beschrieben wurde, auch die Lokalisation des Zellteilungs-Proteins FtsZ in Schwärmerzellen reguliert und damit Zellteilungsereignisse in Polnähe verhindert. Wir demonstrieren zum ersten Mal eine zelllängenabhängige Platzierung des Zellteilungsapparates in natürlich vorkommenden Bakterien. Die Identifizierung von ParC als Protein mit Doppelfunktion verbindet die räumlich-zeitliche Regulation verschiedener Prozesse wie bakterielle Chemotaxis, Zellpolentwicklung und Regulation der Zellteilung.