Molteplici ATPasi ParA/MinD coordinano il posizionamento di carichi disparati in una cellula batterica

Nature Communications volume 14, numero articolo: 3255 (2023) Citare questo articolo

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Negli eucarioti, le proteine ​​motorie lineari governano il trasporto e l'organizzazione intracellulare. Nei batteri, dove i motori lineari coinvolti nella regolazione spaziale sono assenti, la famiglia di ATPasi ParA/MinD organizza una serie di carichi cellulari a base genetica e proteica. Il posizionamento di questi carichi è stato studiato in modo indipendente a vari livelli in diverse specie batteriche. Tuttavia, non è chiaro come più ATPasi ParA/MinD possano coordinare il posizionamento di carichi diversi nella stessa cella. Qui, troviamo che oltre un terzo dei genomi batterici sequenziati codificano più ATPasi ParA/MinD. Identifichiamo un organismo (Halothiobacillus neapolitanus) con sette ATPasi ParA/MinD, dimostriamo che cinque di questi sono ciascuno dedicato alla regolazione spaziale di un singolo carico cellulare e definiamo potenziali determinanti di specificità per ciascun sistema. Inoltre, mostriamo come queste reazioni di posizionamento possono influenzarsi a vicenda, sottolineando l'importanza di comprendere come il traffico di organelli, la segregazione cromosomica e la divisione cellulare sono coordinati nelle cellule batteriche. Insieme, i nostri dati mostrano come più ATPasi ParA/MinD coesistono e funzionano per posizionare un insieme diversificato di carichi fondamentali nella stessa cellula batterica.

I filamenti di actina, i microtubuli e le proteine ​​motorie lineari che li percorrono sono ben noti per l'organizzazione spaziale nelle cellule eucariotiche. Nei batteri, tuttavia, dove i motori lineari coinvolti nel posizionamento sono assenti, una famiglia diffusa di ATPasi ParA/MinD (A/D) organizza spazialmente plasmidi, cromosomi e una serie di organelli a base di proteine, molti dei quali sono fondamentali per la sopravvivenza cellulare e patogenesi. Di gran lunga le due ATPasi meglio studiate, e omonime della famiglia, sono ParA coinvolta nella partizione plasmidica e nella segregazione cromosomica1,2, e MinD coinvolta nel posizionamento dei divisomi3. Meno studiato è l'elenco crescente di ATPasi A/D, diffuse tra i procarioti, coinvolte nella regolazione spaziale di diversi organelli a base proteica, come i microcompartimenti batterici (BMC)4,5, i flagelli6,7, i cluster di chemiotassi8,9 e i macchinari di coniugazione10.

Nonostante i carichi siano così diversi, le ATPasi A/D condividono una serie di caratteristiche: (i) formano tutte dimeri sandwich di ATP11, (ii) la dimerizzazione forma un'interfaccia per legare una matrice di posizionamento: il nucleoide per ATPasi simili a ParA12,13 o la membrana interna per ATPasi simili a MinD14,15 e (iii) la dimerizzazione forma anche un sito di legame per una proteina partner affine che collega un'ATPasi al suo carico e stimola il suo rilascio dalla matrice di posizionamento. Ad esempio, nella segregazione cromosomica, il partner ParA è ParB, che si carica su un sito simile al centromero, chiamato parS, per formare un complesso massiccio sul cromosoma vicino all'origine della replicazione (OriC)2. Questo complesso ParB-parS stimola localmente l'attività della ParA ATPasi e il rilascio del nucleoide, che genera gradienti ParA sul nucleoide. La segregazione dei cromosomi fratelli avviene quando il complesso ParB-parS insegue i gradienti ParA legati ai nucleoidi in direzioni opposte16. Pertanto, a differenza dell’apparato del fuso mitotico utilizzato nella segregazione dei cromosomi eucariotici, i procarioti utilizzano una modalità di organizzazione spaziale fondamentalmente diversa: le ATPasi A/D creano onde sulle superfici biologiche per posizionare i rispettivi carichi.

La segregazione cromosomica, il posizionamento della divisione cellulare e le reazioni al traffico di organelli sono stati studiati in modo indipendente a vari livelli in diversi procarioti. Tuttavia, non è noto quante A/D ATPasi possano essere codificate in un singolo batterio per posizionare più carichi disparati, o come i batteri coordinino spaziotemporalmente il posizionamento di un insieme così diversificato di carichi fondamentali nella stessa cellula. Inoltre, le variazioni meccanicistiche e i determinanti della specificità che governano il posizionamento di un insieme così diversificato di carico cellulare rimangono poco chiari. Questo perché le reazioni di posizionamento basate su A/D vengono generalmente studiate indipendentemente l'una dall'altra e in batteri modello con poche ATPasi A/D.