Múltiplas ParA/MinD ATPases coordenam o posicionamento de cargas díspares em uma célula bacteriana

Nature Communications volume 14, Número do artigo: 3255 (2023) Citar este artigo

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Nos eucariotos, as proteínas motoras lineares governam o transporte e a organização intracelular. Nas bactérias, onde os motores lineares envolvidos na regulação espacial estão ausentes, a família ParA/MinD de ATPases organiza uma matriz de cargas celulares baseadas em proteínas e genéticas. O posicionamento dessas cargas foi investigado de forma independente em vários graus em várias espécies bacterianas. No entanto, ainda não está claro como múltiplas ATPases ParA/MinD podem coordenar o posicionamento de diversas cargas na mesma célula. Aqui, descobrimos que mais de um terço dos genomas bacterianos sequenciados codificam múltiplas ATPases ParA/MinD. Identificamos um organismo (Halothiobacillus neapolitanus) com sete ParA/MinD ATPases, demonstramos que cinco delas são dedicadas à regulação espacial de uma única carga celular e definimos potenciais determinantes de especificidade para cada sistema. Além disso, mostramos como essas reações de posicionamento podem influenciar umas às outras, enfatizando a importância de entender como o tráfico de organelas, a segregação cromossômica e a divisão celular são coordenados nas células bacterianas. Juntos, nossos dados mostram como múltiplas ATPases ParA/MinD coexistem e funcionam para posicionar um conjunto diversificado de cargas fundamentais na mesma célula bacteriana.

Filamentos de actina, microtúbulos e as proteínas motoras lineares que caminham ao longo deles são bem conhecidos pela organização espacial em células eucarióticas. Em bactérias, no entanto, onde os motores lineares envolvidos no posicionamento estão ausentes, uma ampla família de ParA/MinD (A/D) ATPases organiza espacialmente plasmídeos, cromossomos e uma série de organelas baseadas em proteínas, muitas das quais são fundamentais para a sobrevivência celular. e patogênese. De longe, as duas ATPases mais bem estudadas e homônimas da família são ParA, envolvida na partição de plasmídeo e segregação de cromossomos1,2, e MinD, envolvida no posicionamento de divisomas3. Menos estudada é a crescente lista de A/D ATPases, difundida em procariotos, envolvida na regulação espacial de diversas organelas baseadas em proteínas, como microcompartimentos bacterianos (BMCs)4,5, flagelos6,7, aglomerados de quimiotaxia8,9 e maquinaria de conjugação10.

Apesar das cargas serem tão diversas, as ATPases A/D compartilham uma série de características: (i) todas formam dímeros sanduíche de ATP11, (ii) a dimerização forma uma interface para ligar uma matriz de posicionamento - o nucleoide para ATPases do tipo ParA12,13 ou a membrana interna para ATPases semelhantes a MinD14,15 e (iii) a dimerização também forma um sítio de ligação para uma proteína parceira cognata que conecta uma ATPase à sua carga e estimula sua liberação da matriz de posicionamento. Por exemplo, na segregação cromossômica, o parceiro ParA é ParB, que carrega em um local semelhante ao centrômero, chamado parS, para formar um complexo maciço no cromossomo próximo à origem de replicação (OriC)2. Este complexo ParB-parS estimula localmente a atividade da ParA ATPase e a liberação do nucleoide, o que gera gradientes de ParA no nucleoide. A segregação dos cromossomos irmãos ocorre à medida que o complexo ParB-parS persegue gradientes de ParA ligados a nucleoides em direções opostas16. Portanto, ao contrário do aparato do fuso mitótico usado na segregação de cromossomos eucarióticos, os procariotos usam um modo fundamentalmente diferente de organização espacial – as ATPases A/D fazem ondas em superfícies biológicas para posicionar suas respectivas cargas.

A segregação cromossômica, o posicionamento da divisão celular e as reações de tráfego de organelas foram investigadas independentemente em vários graus em vários procariotos. No entanto, ainda não se sabe quantas A/D ATPases podem ser codificadas em uma única bactéria para posicionar várias cargas distintas, ou como as bactérias coordenam espaço-temporalmente o posicionamento de um conjunto tão diversificado de cargas fundamentais na mesma célula. Além disso, as variações mecanísticas e os determinantes de especificidade que governam o posicionamento de um conjunto tão diversificado de carga celular permanecem obscuros. Isso ocorre porque as reações de posicionamento baseadas em A/D são tipicamente estudadas independentemente umas das outras e em bactérias modelo com poucas ATPases A/D.