FtsZ es una proteína codificada por el gen ftsZ que se ensambla en un anillo en el sitio futuro de la división celular bacteriana (también llamado anillo Z ). FtsZ es un homólogo procariota de la proteína eucariota tubulina . Las iniciales FtsZ significan " mutante Z filamentoso sensible a la temperatura ". La hipótesis era que los mutantes de división celular de E. coli crecerían como filamentos debido a la incapacidad de las células hijas de separarse unas de otras. FtsZ se encuentra en casi todas las bacterias, muchas arqueas, todos los cloroplastos y algunas mitocondrias, donde es esencial para la división celular. FtsZ ensambla el andamiaje citoesquelético del anillo Z que, junto con proteínas adicionales, se contrae para dividir la célula en dos.
En la década de 1960, los científicos buscaron mutaciones sensibles a la temperatura que bloquearan la división celular a 42 °C. Las células mutantes se dividían normalmente a 30°, pero no se dividían a 42°. El crecimiento continuo sin división produjo células filamentosas largas ( filamento sensible a la temperatura ) . Se descubrieron varios de estos mutantes y se mapearon a un locus originalmente llamado ftsA, que podría ser uno o más genes . En 1980, Lutkenhaus y Donachie [1] demostraron que varias de estas mutaciones se mapeaban a un gen, ftsA, pero un mutante bien caracterizado, PAT84, descubierto originalmente por Hirota et al, [2] se mapeaba a un gen separado y adyacente. Llamaron a este gen de división celular ftsZ. En 1991, Bi y Lutkenhaus utilizaron microscopía electrónica de inmunooro para demostrar que FtsZ se localizaba en el tabique invaginante en la mitad de la célula. [3] Posteriormente, los grupos de Losick y Margolin utilizaron microscopía de inmunofluorescencia [4] y fusiones de GFP [5] para demostrar que FtsZ ensamblaba anillos Z en etapas tempranas del ciclo celular, mucho antes de que el septo comenzara a contraerse. Luego, otras proteínas de división se ensamblan en el anillo Z y la constricción ocurre en la última parte del ciclo celular.
En 1992-3, tres laboratorios descubrieron de forma independiente que FtsZ estaba relacionado con la tubulina eucariota, que es la subunidad proteica que se ensambla en microtúbulos. [6] [7] [8] Este fue el primer descubrimiento de que las bacterias tienen homólogos de las proteínas citoesqueléticas eucariotas. Trabajos posteriores demostraron que FtsZ estaba presente y era esencial para la división celular en casi todas las bacterias y en muchas arqueas, pero no en todas.
Las mitocondrias y los cloroplastos son orgánulos eucariotas que se originaron como endosimbiontes bacterianos, por lo que hubo mucho interés en saber si utilizan FtsZ para la división. El FtsZ de los cloroplastos fue descubierto por primera vez por Osteryoung [9] y ahora se sabe que todos los cloroplastos utilizan FtsZ para la división. El FtsZ mitocondrial fue descubierto por Beech [10] en un alga; FtsZ se utiliza para la división mitocondrial en algunos eucariotas, mientras que otros lo han reemplazado por una maquinaria basada en dinamina.
En 2014, los científicos identificaron dos homólogos de FtsZ en arqueas , FtsZ1 y FtsZ2 . [11]
Durante la división celular , FtsZ es la primera proteína en moverse al sitio de división, y es esencial para reclutar otras proteínas que producen una nueva pared celular ( septo ) entre las células en división. El papel de FtsZ en la división celular es análogo al de la actina en la división celular eucariota, pero, a diferencia del anillo actina - miosina en eucariotas, FtsZ no tiene una proteína motora conocida asociada con ella. La síntesis de la pared celular puede empujar externamente la membrana celular, proporcionando la fuerza para la citocinesis. En apoyo de esto, en E. coli la tasa de división se ve afectada por mutaciones en la síntesis de la pared celular. [12] Alternativamente, FtsZ puede tirar de la membrana desde el interior según Osawa (2009) que muestra la fuerza contráctil de la proteína en liposomas sin otras proteínas presentes. [13]
Erickson (2009) propuso cómo los roles de las proteínas similares a la tubulina y las proteínas similares a la actina en la división celular se invirtieron en un misterio evolutivo. [14] El uso del anillo FtsZ en la división de cloroplastos y algunas mitocondrias establece aún más su ascendencia procariota. [15] Las bacterias en forma L que carecen de una pared celular no requieren FtsZ para la división, lo que implica que las bacterias pueden haber conservado componentes de un modo ancestral de división celular. [16]
Se sabe mucho sobre las actividades de polimerización dinámica de la tubulina y los microtúbulos , pero poco sobre estas actividades en FtsZ. Si bien se sabe que los protofilamentos de tubulina monocatenarios forman microtúbulos de 13 hebras , no se conoce la estructura multicatenaria del anillo Z que contiene FtsZ. Solo se especula que la estructura consiste en protofilamentos superpuestos. Sin embargo, trabajos recientes con FtsZ purificado en bicapas lipídicas soportadas, así como imágenes de FtsZ en células bacterianas vivas, revelaron que los protofilamentos de FtsZ tienen polaridad y se mueven en una dirección en cinta rodante [17] (ver también a continuación).
Recientemente, se han descubierto proteínas similares a la tubulina y FtsZ en plásmidos grandes que se encuentran en especies de Bacillus . Se cree que funcionan como componentes de los segrosomas , que son complejos multiproteicos que dividen los cromosomas/plásmidos en bacterias. Los homólogos plasmídicos de tubulina/FtsZ parecen haber conservado la capacidad de polimerizarse en filamentos.
FtsZ tiene la capacidad de unirse a GTP y también exhibe un dominio GTPasa que le permite hidrolizar GTP a GDP y un grupo fosfato. In vivo , FtsZ forma filamentos con una disposición repetida de subunidades, todas dispuestas de cabeza a cola. [18] Estos filamentos forman un anillo alrededor del punto medio longitudinal, o septo, de la célula. Este anillo se llama anillo Z.
La actividad hidrolizante de GTP de la proteína no es esencial para la formación de filamentos o la división celular. Los mutantes deficientes en la actividad de GTPasa a menudo se dividen, pero a veces forman septos retorcidos y desordenados. No está claro si FtsZ realmente proporciona la fuerza física que da lugar a la división o sirve como andamiaje para que otras proteínas ejecuten la división.
Existen dos modelos que explican cómo FtsZ podría generar una fuerza de constricción. Un modelo se basa en la observación de que los protofilamentos de FtsZ pueden ser rectos o curvos. Se sugiere que la transición de recto a curvo genera una fuerza de flexión sobre la membrana. [19] Otro modelo se basa en protofilamentos deslizantes. Los modelos informáticos y las mediciones in vivo sugieren que los filamentos individuales de FtsZ no pueden mantener una longitud de más de 30 subunidades. En este modelo, la fuerza de escisión de FtsZ proviene del movimiento lateral relativo de las subunidades. [20] Las líneas de FtsZ se alinearían en paralelo y tirarían unas de otras creando una "cuerda" de muchas cuerdas que se tensa a sí misma.
En otros modelos, FtsZ no proporciona la fuerza contráctil, sino que proporciona a la célula un andamiaje espacial para que otras proteínas ejecuten la división celular. Esto es similar a la creación de una estructura temporal por parte de los trabajadores de la construcción para acceder a lugares de difícil acceso de un edificio. La estructura temporal permite un acceso sin restricciones y garantiza que los trabajadores puedan llegar a todos los lugares. Si la estructura temporal no se construye correctamente, los trabajadores no podrán llegar a ciertos lugares y el edificio será deficiente.
La teoría del andamiaje está respaldada por información que muestra que la formación del anillo y la localización en la membrana requiere la acción concertada de varias proteínas accesorias. ZipA o el homólogo de actina FtsA permiten la localización inicial de FtsZ en la membrana. [21] Después de la localización en la membrana, las proteínas de división de la familia Fts son reclutadas para el ensamblaje del anillo. [22] Muchas de estas proteínas dirigen la síntesis del nuevo septo de división en la mitad de la célula (FtsI, FtsW), o regulan la actividad de esta síntesis (FtsQ, FtsL, FtsB, FtsN). El momento de la formación del anillo Z sugiere la posibilidad de una señal espacial o temporal que permite la formación de filamentos de FtsZ.
Imágenes de súper resolución recientes en varias especies respaldan un modelo de andamiaje dinámico, en el que pequeños grupos de protofilamentos de FtsZ o haces de protofilamentos se mueven unidireccionalmente alrededor de la circunferencia del anillo mediante un movimiento de cinta, anclados a la membrana por FtsA y otras ataduras de membrana específicas de FtsZ. [23] [24] La velocidad del movimiento de cinta depende de la tasa de hidrólisis de GTP dentro de los protofilamentos de FtsZ, pero en Escherichia coli , la síntesis del tabique de división sigue siendo el paso limitante de la velocidad para la citocinesis. [25] La acción de movimiento de cinta de FtsZ es necesaria para la síntesis adecuada del tabique de división por parte de las enzimas de síntesis de peptidoglicano septal, lo que sugiere que estas enzimas pueden rastrear los extremos en crecimiento de los filamentos.
La formación del anillo Z coincide estrechamente con los procesos celulares asociados con la replicación. La formación del anillo Z coincide con la terminación de la replicación del genoma en E. coli y el 70% de la replicación cromosómica en B. subtilis . [26] El momento de la formación del anillo Z sugiere la posibilidad de una señal espacial o temporal que permite la formación de filamentos de FtsZ. En Escherichia coli , al menos dos reguladores negativos del ensamblaje de FtsZ forman un gradiente bipolar, de modo que la concentración de FtsZ activo requerida para el ensamblaje de FtsZ es más alta en la mitad de la célula entre los dos cromosomas segregantes, y más baja en los polos y sobre los cromosomas. Este tipo de regulación parece ocurrir en otras especies como Bacillus subtilis y Caulobacter crescentus . Sin embargo, otras especies como Streptococcus pneumoniae y Myxococcus xanthus parecen utilizar reguladores positivos que estimulan el ensamblaje de FtsZ en la mitad de la célula. [27]
La polimerización de FtsZ también está relacionada con factores estresantes como el daño del ADN . El daño del ADN induce la fabricación de una variedad de proteínas, una de ellas llamada SulA. [28] SulA impide la polimerización y la actividad GTPasa de FtsZ. SulA cumple esta tarea al unirse a sitios FtsZ que se reconocen a sí mismos. Al secuestrar FtsZ, la célula puede vincular directamente el daño del ADN con la inhibición de la división celular. [29]
Al igual que SulA, existen otros mecanismos que impiden la división celular y que darían como resultado la alteración de la información genética enviada a las células hijas. Hasta ahora, se han identificado dos proteínas en E. coli y B. subtilis que impiden la división sobre la región nucleoide: Noc y SlmA. La eliminación del gen Noc da como resultado células que se dividen sin tener en cuenta la región nucleoide , lo que da como resultado su partición asimétrica entre las células hijas. El mecanismo no se entiende bien, pero se cree que implica el secuestro de FtsZ, lo que impide la polimerización sobre la región nucleoide. [30] El mecanismo utilizado por SlmA para inhibir la polimerización de FtsZ sobre el nucleoide [31] se entiende mejor y utiliza dos pasos separados. Un dominio de SlmA se une a un polímero de FtsZ, luego un dominio separado de SlmA corta el polímero. [32] Se cree que MinC utiliza un mecanismo similar, otro inhibidor de la polimerización de FtsZ involucrado en el posicionamiento del anillo de FtsZ. [33]
Actualmente, el número de cepas bacterianas resistentes a múltiples fármacos está aumentando, por lo que es urgente determinar dianas farmacológicas para el desarrollo de nuevos fármacos antimicrobianos. El papel potencial de FtsZ en el bloqueo de la división celular, junto con su alto grado de conservación entre especies bacterianas, hace que FtsZ sea un objetivo muy atractivo para el desarrollo de nuevos antibióticos. [34] Los investigadores han estado trabajando en moléculas sintéticas y productos naturales como inhibidores de FtsZ. [35]
El autoensamblaje espontáneo de FtsZ también se puede utilizar en nanotecnología para fabricar nanocables metálicos. [36] [37]