Сложная структура разделов может возникнуть в результате скольжения и мостиков димеров ParB.

Nature Communications, том 14, номер статьи: 4567 (2023) Цитировать эту статью

754 доступа

17 Альтметрика

Подробности о метриках

У многих бактерий сегрегация хромосом требует ассоциации ParB с центромерной областью, содержащей parS, для образования перегородочного комплекса. Однако структура и формирование этого комплекса остаются неясными. Недавно исследования показали, что связывание CTP позволяет димерам ParB скользить вдоль ДНК и конденсировать центромерную область за счет образования мостиков ДНК. Используя моделирование полугибких полимеров, мы демонстрируем, что эти свойства могут объяснить образование разделительных комплексов. Временные мостики ParB организуют ДНК в глобулярные состояния или шпильки и спиральные структуры, в зависимости от времени жизни мостика, в то время как отдельные моделирования показывают, что скольжение ParB воспроизводит многопиковый профиль связывания, наблюдаемый у Caulobacter crescentus. Объединив скольжение и мостик в единую модель, мы обнаружили, что короткоживущие мостики ParB не препятствуют скольжению и могут воспроизводить как профиль связывания, так и конденсацию нуклеопротеинового комплекса. В целом наша модель объясняет механизм формирования перегородочного комплекса и предсказывает его тонкую структуру.

Точная сегрегация хромосом необходима для эффективной репликации клеток. Для этого в бактериальных хромосомах и низкокопийных плазмидах используются системы активного разделения, одна из которых — система ParABS1,2,3. Эта система состоит из трех компонентов: центромерноподобных последовательностей parS и двух белков: ParB, образующего димеры, специфически связывающиеся с последовательностью parS, и ParA, АТФазы, активность которой стимулируется ParB4,5.

ParB распространяется на несколько тысяч оснований ДНК, окружающих сайты parS, которые у бактерий сосредоточены вблизи места начала репликации6. Это распространение необходимо для функционирования этих систем, хотя степень распространения существенно различается между системами7,8,9,10,11,12,13. В любом случае считается, что результатом является нуклеопротеиновый комплекс, перегородочный комплекс, который хорошо виден с помощью флуоресцентной микроскопии. Первоначально предполагалось, что распространение происходит за счет образования нуклеопротеиновой нити, простирающейся от сайта parS7,8,14. Однако впоследствии было показано, что белков ParB слишком мало для формирования таких крупных структур10. Вместо этого in vitro было обнаружено, что ParB конденсирует ДНК посредством неспецифического связывания ДНК и образования белковых мостиков10,15,16,17,18,19.

Эти результаты послужили толчком к проведению модельных исследований формирования перегородочных комплексов. В частности, модель распространения и мостика предполагает, что комплекс разделения формируется посредством комбинации дальнего (3D) мостового взаимодействия и короткодействующего (1D) взаимодействия ближайших соседей20. Однако впоследствии было доказано, что эта модель несовместима с профилем связывания ParB из F-плазмиды 11. Вместо этого было предположено, что наблюдаемый профиль обусловлен пространственным окружением ParB вокруг нуклеирующего сайта parS, вследствие неспецифических и временных взаимодействий, а также полимерной природы ДНК11,21,22. Эту модель также можно понимать как предел слабого распространения модели распространения и моста23.

Недавно было продемонстрировано, что ParB проявляет parS-зависимую активность CTPase, которая необходима для правильного формирования и динамики разделительного комплекса13,24,25,26,27,28. Было показано, что CTP-связанные димеры ParB загружаются и охватывают ДНК в сайтах parS, а затем скользят вдоль цепи ДНК, прежде чем в конечном итоге диссоциировать. Также было показано in vitro, что связывание CTP позволяет связывать ParB в физиологических концентрациях (намного ниже, чем требуется в отсутствие CTP10,15) и приводит к эффективной конденсации ДНК29,30. Эти результаты фундаментально меняют наше понимание того, как формируется комплекс перегородок, и предполагают необходимость переоценки предыдущих моделей. В частности, ни одно исследование по моделированию еще не предоставило единую основу для скольжения и мостиков димера ParB. Скольжение ParB также может иметь дополнительное значение для хромосомных систем ParABS, которые обычно имеют несколько геномно разделенных сайтов parS и, как следствие, более одного пика в профиле связывания ParB9,10,12,13,21,31,32,33, 34, но имеют по одному видимому перегородочному комплексу на каждый источник в клетках дикого типа10,35.

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>