パーティション複合構造は、ParB 二量体のスライドと架橋によって生じる可能性があります

Nature Communications volume 14、記事番号: 4567 (2023) この記事を引用

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17 オルトメトリック

メトリクスの詳細

多くの細菌では、染色体分離には、分配複合体を形成するために ParS を含むセントロメア領域に ParB が結合することが必要です。しかし、この複合体の構造と形成は不明でした。最近の研究により、CTP 結合により ParB 二量体が DNA に沿って移動し、DNA 架橋の形成を通じてセントロメア領域を凝縮できることが明らかになりました。半柔軟ポリマーのシミュレーションを使用して、これらの特性がパーティション複合体の形成を説明できることを実証します。一過性のParBブリッジは、ブリッジの寿命に応じてDNAを球状状態またはヘアピンおよびらせん構造に組織化するが、別のシミュレーションでは、ParBのスライディングがCaulobacter crescentusで観察される複数のピークを持つ結合プロファイルを再現することが示されている。滑りと架橋を統合モデルに組み合わせると、短寿命の ParB 架橋は滑りを妨げず、核タンパク質複合体の結合プロファイルと凝縮の両方を再現できることがわかりました。全体として、私たちのモデルは隔壁複合体形成のメカニズムを解明し、その微細構造を予測します。

細胞の効率的な複製には、忠実な染色体分離が不可欠です。このために、細菌の染色体と低コピープラスミドはアクティブ分配システムを採用しており、ParABS システムは最も普及しているシステムの 1 つです 1,2,3。このシステムは、セントロメア様 parS 配列と 2 つのタンパク質、parS 配列に特異的に結合する二量体を形成する ParB、およびその活性が ParB4,5 によって刺激される ATPase である ParA の 3 つのコンポーネントで構成されます。

ParB は、parS 部位を囲む数キロベースの DNA に広がります。parS 部位は細菌内で複製起点近くに集中しています 6。この拡散はこれらのシステムが機能するために不可欠ですが、拡散の程度はシステム間で大幅に異なります7、8、9、10、11、12、13。いずれにせよ、その結果、核タンパク質複合体、つまり分配複合体が得られ、蛍光顕微鏡を使用するとはっきりと見えると考えられています。当初、拡散は parS 部位から伸びる核タンパク質フィラメントの形成によるものであると考えられていました 7、8、14。しかし、その後、このような大きな構造を形成するには ParB タンパク質が少なすぎることが示されました 10。代わりに、ParB は、非特異的 DNA 結合およびタンパク質架橋の形成を通じて DNA を凝縮することが in vitro で発見されました 10、15、16、17、18、19。

これらの結果は、パーティション複合体形成のモデリング研究の動機となった。特に、拡散およびブリッジングモデルは、長距離 (3D) ブリッジングと短距離 (1D) 最近隣相互作用の組み合わせを通じてパーティション複合体が形成されることを提案しました20。しかし、このモデルはその後、F プラスミドからの ParB の結合プロファイルと互換性がないことが主張されました 11。その代わりに、観察されたプロファイルは、非特異的かつ一時的な相互作用、および DNA のポリマー的性質による、核形成 parS 部位周囲の ParB の空間的ケージングによるものであると提案されました 11,21,22。このモデルは、拡散およびブリッジングモデルの弱い拡散限界としても理解できます23。

最近、ParB が正しい分配複合体形成と動態に必要な parS 依存性 CTPase 活性を示すことが証明されました 13,24,25,26,27,28。 CTP に結合した ParB 二量体は、DNA の parS 部位にロードされて包含され、その後最終的に解離する前に DNA 鎖に沿ってスライドすることが示されました。また、CTP 結合により生理的濃度 (CTP の非存在下で必要とされる濃度よりもはるかに低い 10,15) で ParB 架橋が起こり、効率的な DNA 凝縮が起こることも in vitro で示されました 29,30。これらの結果は、パーティション複合体がどのように形成されるかについての理解を根本的に変え、以前のモデルを再評価する必要があることを示唆しています。特に、ParB ダイマーのスライディングとブリッジングに関する統一されたフレームワークを提供するモデリング研究はまだありません。 ParB スライディングは、染色体 ParABS システムにも追加の関連性がある可能性があります。染色体 ParABS システムには通常、ゲノム的に分離されたいくつかの parS 部位があり、その結果、ParB 結合プロファイルに複数のピークが存在します9,10,12,13,21,31,32,33。しかし、野生型細胞では起点ごとに単一の可視分配複合体が存在します10,35。

1, and \(\frac{p}{{k}_{ub}}=\exp ({{\Delta }}{E}^{ub}/{k}_{B}T)\), the relative bridge lifetime (see Methods). e The mean ParB weighted radius for short and long bridge lifetimes (±SD) (indicated by the dashed lines in d) as a function of the number of bridges. Data from 1000 conformations for each parameter set. Circles indicate the respective locations of f, g, and h, i. f An example conformation of the polymer in the globular state. g Average contact map at the same location based on 1000 conformations. A contact is defined as two monomers being within five lattice sites of one another. h An example conformation of the polymer in the structured state. i Average contact map at the same location, otherwise as in g. The locations studied in f, g and h, i both have an average of ~85 bridges. Equivalent plots for the coil-like regime, indicated by the leftmost circle in d are shown in Supplementary Fig. 1f, g. Source data are provided as a Source Data file./p>