Bacteriën staan dagelijks in wisselwerking met ons lichaam, met zowel positieve als negatieve gevolgen. We vertrouwen op de miljarden nuttige bacteriën in ons microbioom om onze spijsvertering en immuniteit te ondersteunen. Tegelijkertijd kunnen ziekteverwekkende bacteriën ons in de problemen brengen wanneer we slechts aan een paar cellen worden blootgesteld.
Inzicht in de manier waarop bacteriën zich van één cel in twee dochtercellen delen, is van cruciaal belang voor het ontwerpen van manieren om de vermenigvuldiging van verschillende bacteriesoorten te helpen bevorderen of blokkeren. Bacteriële celdeling, of cytokinesis, omvat segregatie van gerepliceerde chromosomen, zodat elke dochtercel krijgt een kopie, en knijpen de cel envelop dicht tussen de twee dochtercellen.
Fig. 1. (Boven) Superresolutiefluorescentiebeeld van E. coli divisome-eiwit, FtsZ, in de middencel (oranje) binnen een schematische celomtrek (grijs). Achtergrond: scanning electronen microfoto van E. coli cellen. (Bodem) FtsZ afgebeeld in dezelfde E. coli cel met conventionele (links) of super-resolutie (rechts) microscopie. Beeldcredit: Carla Coltharp.
Meerdere decennia van studie hebben een lijst van essentiële of ‘zeer belangrijke’ eiwitten (VIPs) opgeleverd die nodig zijn voor cytokinese, en onthuld dat deze VIPs zich verzamelen in een ringvormig ‘divisoom’ in het midden van de cel (Fig. 1).
Onze recente paper behandelde een reeds lang bestaande vraag over hoe het divisoom functioneert: welk VIP levert de drijvende kracht om cytokinese voort te stuwen, en dicteert zo de snelheid ervan? Als we deze krachtbron kennen, kunnen we beter bepalen welke eiwitten we moeten aanpakken als we de snelheid van cytokinese in bepaalde bacteriën willen veranderen.
Om deze vraag te beantwoorden, hebben we eerst een microscopiemethode met zeer hoge resolutie ontwikkeld om veel scherpere beelden te krijgen van het divisoom en de bacteriële celgrenzen, die er met conventionele microscopen wazig uitzien omdat bacteriën zo klein zijn (Fig. 1). Met deze superresolutiebeelden konden we de snelheid van de cytokinese in bacteriële cellen veel nauwkeuriger meten dan voorheen.
Om het relatieve belang van elke VIP te achterhalen, creëerden we verschillende bacteriestammen met mutaties die elke VIP ‘braken’, één voor één. Vervolgens pasten we onze superresolutiemethoden toe om de snelheid van de cytokinese in elke mutantstam te meten, om te zien welke mutaties de grootste effecten hadden op de delingssnelheid.
Wij testten eerst mutaties in een eiwit dat FtsZ heet. FtsZ kan lange polymeren vormen en er is voorgesteld om de motor te zijn die cytokinese aandrijft, omdat het voortdurend chemische energie vrijgeeft door het afbreken van een hoog energetisch molecuul genaamd GTP, ongeveer zoals de polymeren van actine en myosine doen tijdens de celdeling in menselijke cellen. Tot onze verrassing bleek dat mutaties in FtsZ de snelheid van cytokinese niet significant veranderden.
Fig. 2. Conceptueel model van cytokinese bij bacteriën. Een delende cel (links) bevat scheidend DNA (geel) en een divisoom in het midden van de cel (rood), dat de celomhulling naar binnen toe vernauwt (bruin). De snelheid en precisie van de vernauwing van de celomhulling wordt bepaald door de gecoördineerde inspanningen van eiwitten zoals PBP3, FtsZ, en MatP, afgebeeld als deelnemers aan een aandrijfscenario (rechts). Image credit: Ryan McQuillen and Carla Coltharp.
In tegenstelling daarmee vonden we dat de snelheid van cytokinese het meest afhing van één VIP bekend als PBP3 (of penicilline bindend eiwit 3). PBP3 is betrokken bij de bouw van de celwand die bacteriële cellen omhult. Wanneer we de activiteit van PBP3 verminderden, vertraagde de cytokinese aanzienlijk, wat suggereert dat de opbouw van de celwand de cytokinese kan aansturen. Deze bevinding onthult een belangrijk verschil tussen celdeling in omhulde bacteriële cellen en muurloze dierlijke cellen.
Daarnaast, toen we een koppeling verbraken tussen celomhullende-geassocieerde divisome-eiwitten en chromosoom-geassocieerde divisome-eiwitten, ontdekten we verrassend dat cytokinesis sneller verliep. Deze koppeling van eiwitten kan dus een functie hebben bij het controleren van cytokinese, zodat de celomhulling niet te snel sluit voordat de twee chromosoomkopieën klaar zijn met scheiden.
Als we onze bevindingen combineren met die van vele andere groepen, komen we tot een nieuw beeld van bacteriële cytokinese (Fig. 2). Als we ons voorstellen dat het celomhulsel wordt voortgetrokken door een auto in het midden van de cel, dan zouden PBP3 en het proces van celwandopbouw de motor van de auto zijn, FtsZ zou de richting van de auto sturen, en de chromosoomaaneenschakeling zou de voorwaartse voortgang belemmeren wanneer het omhulsel in gevaar komt om op niet-gescheiden chromosomaal DNA te stuiten.
Dit nieuwe beeld, samen met de methoden die we hebben ontwikkeld, opent nieuwe wegen om de overeenkomsten en gespecialiseerde verschillen van celdelingsmechanismen tussen verschillende bacteriesoorten te onderzoeken.
Carla Coltharp, Jie Xiao
Departement van biofysica en biofysische chemie
Johns Hopkins School of Medicine
Baltimore, MD, USA