A baktériumok nap mint nap kölcsönhatásba lépnek a szervezetünkkel, ami pozitív és negatív következményekkel egyaránt jár. Emésztésünk és immunitásunk támogatásában a mikrobiomunkban található több milliárd hasznos baktériumra támaszkodunk. Ugyanakkor a patogén baktériumok legyengíthetnek minket, ha csak néhány sejtnek vagyunk kitéve.
Az, hogy a baktériumok hogyan osztódnak egy sejtből két leánysejtre, döntő fontosságú a különböző baktériumfajok szaporodását elősegítő vagy megakadályozó módszerek megtervezéséhez. A bakteriális sejtosztódás, vagyis a citokinézis során a replikált kromoszómák szegregálódnak úgy, hogy minden leánysejt egy-egy példányt kapjon, és a sejtburkot a két leánysejt közé szorítják.
1. ábra. (Felső) Szuperfelbontású fluoreszcencia-kép az E. coli diviszómafehérjéről, az FtsZ-ről a sejt közepén (narancssárga) egy sematikus sejtvázlaton belül (szürke). Háttér: E. coli sejtek pásztázó elektronmikroszkópos felvétele. (Alul) Ugyanabban az E. coli sejtben hagyományos (balra) vagy szuperfelbontású (jobbra) mikroszkópiával leképezett FtsZ. A kép forrása: Carla Coltharp.
A több évtizedes tanulmányok egy listát adtak a citokinézishez szükséges esszenciális vagy “nagyon fontos” fehérjékről (VIP), és kimutatták, hogy ezek a VIP-ek a sejt közepén egy gyűrűszerű “diviszómába” gyűlnek össze (1. ábra).
A mostani cikkünkben a diviszóma működésével kapcsolatos egyik régóta fennálló kérdéssel foglalkoztunk: melyik VIP biztosítja a citokinézist előrevivő erőt, így diktálva annak sebességét? Ennek az erőforrásnak a megismerése segítene abban, hogy mely fehérjéket célozzuk meg, ha meg akarjuk változtatni a citokinézis sebességét bizonyos baktériumokban.
A kérdés megoldásához először egy nagyon nagy felbontású mikroszkópos módszert dolgoztunk ki, hogy sokkal élesebb képeket kapjunk a diviszómáról és a bakteriális sejthatárokról, amelyek a hagyományos mikroszkópokkal homályosnak tűnnek, mert a baktériumok olyan kicsik (1. ábra). Ezek a szuperfelbontású képek lehetővé tették számunkra, hogy sokkal pontosabban mérjük a citokinézis sebességét a baktériumsejtekben, mint korábban tudtuk.
Az egyes VIP-ek relatív fontosságának feltárásához különböző baktériumtörzseket hoztunk létre olyan mutációkkal, amelyek egyenként “megtörték” az egyes VIP-eket. Ezután szuperrezolúciós módszereinket alkalmaztuk a citokinézis sebességének mérésére az egyes mutáns törzsekben, hogy megnézzük, mely mutációknak van a legnagyobb hatása az osztódás sebességére.
Először az FtsZ nevű fehérje mutációit vizsgáltuk. Az FtsZ hosszú polimereket képes alkotni, és azt javasolták, hogy a citokinézist mozgató erőgép legyen, mivel folyamatosan kémiai energiát szabadít fel a GTP nevű nagy energiájú molekula lebontásával, hasonlóan ahhoz, ahogyan az emberi sejtekben az aktin és a miozin polimerek teszik ezt a sejtosztódás során. Meglepetésünkre azt találtuk, hogy az FtsZ mutációi nem változtatják meg jelentősen a citokinézis sebességét.
2. ábra. A citokinézis fogalmi modellje baktériumokban. Az osztódó sejt (balra) szétváló DNS-t (sárga) és egy sejtközépi diviszómát (piros) tartalmaz, amely befelé összehúzza a sejtburkot (barna). A sejtburkolat összehúzódásának sebességét és pontosságát az olyan fehérjék, mint a PBP3, az FtsZ és a MatP összehangolt erőfeszítései határozzák meg, amelyek egy hajtó forgatókönyv résztvevőiként vannak ábrázolva (jobbra). A kép forrása: Ryan McQuillen és Carla Coltharp.
Ezzel szemben azt találtuk, hogy a citokinézis sebessége leginkább a PBP3 (vagy penicillinkötő fehérje 3) néven ismert VIP-től függ. A PBP3 részt vesz a baktériumsejteket burkoló sejtfal felépítésében. Amikor csökkentettük a PBP3 aktivitását, a citokinézis jelentősen lelassult, ami arra utal, hogy a sejtfal építése mozgathatja a citokinézist. Ez a felfedezés kulcsfontosságú különbséget mutat a sejtfalas baktériumsejtek és a fal nélküli állati sejtek sejtosztódása között.
Azt is felfedeztük továbbá, hogy amikor a sejtburkolat-asszociált diviszómafehérjék és a kromoszóma-asszociált diviszómafehérjék közötti kapcsolatot megszakítottuk, meglepő módon azt tapasztaltuk, hogy a citokinézis gyorsabban zajlott. Ez a fehérjekapcsolat tehát a citokinézis ellenőrzésére szolgálhat, hogy a burok ne záruljon be túl gyorsan, mielőtt a két kromoszóma-kópia befejezte volna a szétválást.
Elmondásainkat számos más csoport eredményeivel összevetve a bakteriális citokinézis új képéhez jutottunk (2. ábra). Ha elképzeljük, hogy a sejtburkot egy autó vontatja a sejt közepén, a PBP3 és a sejtfalépítés folyamata lenne az autó motorja, az FtsZ kormányozná az autó irányát, és a kromoszómakötés akadályozná az előrehaladást, amikor a sejtburkot az a veszély fenyegeti, hogy nem szétválasztott kromoszómális DNS-be ütközik.
Ez az új kép az általunk kifejlesztett módszerekkel együtt új utakat nyit a különböző baktériumfajok sejtosztódási mechanizmusainak közösségeinek és speciális különbségeinek feltárására.
Carla Coltharp, Jie Xiao
Department of Biophysics and Biophysical Chemistry
Johns Hopkins School of Medicine
Baltimore, MD, USA
Nyitottunk új utakat.