Bakterien interagieren täglich mit unserem Körper, was sowohl positive als auch negative Folgen hat. Wir verlassen uns auf die Milliarden von nützlichen Bakterien in unserem Mikrobiom, um unsere Verdauung und Immunität zu unterstützen. Gleichzeitig können uns pathogene Bakterien schwächen, wenn wir nur einigen wenigen Zellen ausgesetzt sind.
Das Verständnis dafür, wie sich Bakterien von einer Zelle in zwei Tochterzellen teilen, ist entscheidend für die Entwicklung von Möglichkeiten, die Vermehrung verschiedener Bakterienarten zu fördern oder zu verhindern. Bei der bakteriellen Zellteilung oder Zytokinese werden die replizierten Chromosomen getrennt, so dass jede Tochterzelle eine Kopie erhält, und die Zellhülle wird zwischen den beiden Tochterzellen zusammengepresst.
Abb. 1. (Oben) Superauflösendes Fluoreszenzbild des E. coli-Divisom-Proteins FtsZ in der Zellmitte (orange) innerhalb eines schematischen Zellumrisses (grau). Hintergrund: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von E. coli-Zellen. (Unten) FtsZ in derselben E. coli-Zelle, aufgenommen mit konventioneller (links) oder superauflösender (rechts) Mikroskopie. Bildnachweis: Carla Coltharp.
In jahrzehntelangen Studien wurde eine Liste essentieller oder „sehr wichtiger“ Proteine (VIPs) erstellt, die für die Zytokinese erforderlich sind, und es wurde festgestellt, dass sich diese VIPs in der Mitte der Zelle zu einem ringförmigen „Divisom“ zusammenfinden (Abb. 1).
Unsere jüngste Arbeit befasst sich mit einer seit langem bestehenden Frage über die Funktionsweise des Divisoms: Welches VIP liefert die Antriebskraft, um die Zytokinese voranzutreiben, und bestimmt damit ihre Geschwindigkeit? Die Kenntnis dieser Kraftquelle würde uns dabei helfen, Prioritäten zu setzen, wenn wir die Geschwindigkeit der Zytokinese in bestimmten Bakterien verändern wollen.
Um dieser Frage nachzugehen, haben wir zunächst eine sehr hochauflösende Mikroskopiemethode entwickelt, um viel schärfere Bilder des Divisoms und der bakteriellen Zellgrenzen zu erhalten, die mit herkömmlichen Mikroskopen unscharf erscheinen, weil Bakterien so klein sind (Abb. 1). Diese hochauflösenden Bilder ermöglichten es uns, die Geschwindigkeit der Zytokinese in Bakterienzellen viel genauer zu messen als zuvor.
Um die relative Bedeutung der einzelnen VIPs herauszufinden, erzeugten wir verschiedene Bakterienstämme mit Mutationen, die jedes VIP einzeln „zerstörten“. Dann haben wir unsere Superauflösungsmethoden angewandt, um die Zytokinese-Rate in jedem mutierten Stamm zu messen, um zu sehen, welche Mutationen die größten Auswirkungen auf die Teilungsgeschwindigkeit haben.
Zuerst haben wir Mutationen an einem Protein namens FtsZ getestet. FtsZ kann lange Polymere bilden und gilt als Motor der Zytokinese, da es kontinuierlich chemische Energie freisetzt, indem es ein energiereiches Molekül namens GTP abbaut, ähnlich wie die Polymere von Aktin und Myosin bei der Zellteilung in menschlichen Zellen. Zu unserer Überraschung stellten wir fest, dass Mutationen an FtsZ die Geschwindigkeit der Zytokinese nicht signifikant verändern.
Abbildung 2. Konzeptuelles Modell der Zytokinese in Bakterien. Eine sich teilende Zelle (links) enthält trennende DNA (gelb) und ein Divisom in der Zellmitte (rot), das die Zellhülle (braun) nach innen einschnürt. Die Geschwindigkeit und Präzision der Einschnürung der Zellhülle wird durch die koordinierten Bemühungen von Proteinen wie PBP3, FtsZ und MatP bestimmt, die als Teilnehmer in einem Antriebsszenario dargestellt sind (rechts). Bildnachweis: Ryan McQuillen und Carla Coltharp.
Im Gegensatz dazu fanden wir heraus, dass die Geschwindigkeit der Zytokinese am meisten von einem VIP namens PBP3 (oder Penicillin-bindendes Protein 3) abhängt. PBP3 ist am Aufbau der Zellwand beteiligt, die die Bakterienzellen umgibt. Als wir die Aktivität von PBP3 beeinträchtigten, verlangsamte sich die Zytokinese erheblich, was darauf hindeutet, dass der Aufbau der Zellwand die Zytokinese vorantreiben kann. Dieser Befund offenbart einen wesentlichen Unterschied zwischen der Zellteilung in bakteriellen Zellen mit Zellwand und in tierischen Zellen ohne Zellwand.
Als wir außerdem eine Verbindung zwischen Zellhüllen-assoziierten Divisom-Proteinen und Chromosomen-assoziierten Divisom-Proteinen unterbrachen, entdeckten wir überraschenderweise, dass die Zytokinese schneller verlief. Diese Proteinverknüpfung könnte also die Funktion haben, die Zytokinese zu kontrollieren, damit sich die Hülle nicht zu schnell schließt, bevor die beiden Chromosomenkopien ihre Trennung abgeschlossen haben.
Wenn man unsere Ergebnisse mit denen vieler anderer Gruppen zusammenbringt, ergibt sich ein neues Bild der bakteriellen Zytokinese (Abb. 2). Wenn wir uns vorstellen, dass die Zellhülle in der Zellmitte von einem Auto gezogen wird, wären PBP3 und der Prozess des Zellwandaufbaus der Motor des Autos, FtsZ würde die Richtung des Autos steuern, und die Chromosomenverknüpfung würde das Vorwärtskommen behindern, wenn die Hülle Gefahr läuft, auf unsegregierte chromosomale DNA zu stoßen.
Dieses neue Bild, zusammen mit den von uns entwickelten Methoden, eröffnet neue Wege zur Erforschung der Gemeinsamkeiten und speziellen Unterschiede der Zellteilungsmechanismen zwischen verschiedenen Bakterienarten.
Carla Coltharp, Jie Xiao
Abteilung für Biophysik und biophysikalische Chemie
Johns Hopkins School of Medicine
Baltimore, MD, USA