New mechanisms controlling the positioning and activity of the ParABS chromosome partition system

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.