Регуляция динамики кластера Pom в Myxococcus xanthus

Физики из LMU разработали теоретическую модель, объясняющую, как бактерия Myxococcus xanthus определяет плоскость деления в середине клетки.

Для выживания дочерних клеток критически важно правильное позиционирование плоскости деления и равное распределение удвоенных геномов. В новом исследовании докторант LMU Зилке Бергелер и её руководитель профессор Эрвин Фрей создали модель, объясняющую этот процесс у палочковидной бактерии M. xanthus. Модель основана на экспериментальных данных группы профессора Лотте Сёгаард-Андерсен из Института наземной микробиологии Макса Планка и опубликована в журнале PLoS Computational Biology.

Перед делением бактериальный геном реплицируется. Область, занятая хромосомой («нуклеоид»), функционально эквивалентна ядру. При делении нуклеоид должен быть центрирован. В M. xanthus за правильную локализацию плоскости деления отвечают три белка. Эксперименты показали, что два из них, PomX и PomY, образуют крупный кластер, который в итоге маркирует середину клетки. Третий белок, PomZ, является АТФазой. Димеры PomZ, связанные с АТФ, могут присоединяться к хромосомной ДНК и диффундировать вдоль неё, а также связываться с кластером PomXY и диффундировать с меньшей скоростью. Работа этой системы обеспечивает локализацию кластера в средней точке нуклеоида, что совпадает с серединой клетки, где формируется сократительное кольцо.

«Мы разработали математическую модель, чтобы изучить детальную динамику процесса позиционирования кластера в центре нуклеоида», — говорит Бергелер. Анализ показал, что ключевую роль играют белки PomZ. Они сначала связываются с хромосомной ДНК, а затем рекрутируют кластер, привязывая его к нуклеоиду. Однако одновременное связывание PomZ с кластером и ДНК активирует его АТФазную активность, что заставляет белок отсоединиться как от кластера, так и от ДНК. После этого он диффундирует в цитозоле и снова случайным образом связывается с нуклеоидом.

Помимо этой задержки, в перемещении кластера к центру важную роль играет ещё один фактор: эластичность хромосомы. Благодаря тепловым флуктуациям определённая позиция на хромосоме может исследовать область вокруг своего равновесного положения. «Благодаря этой эластичности белки PomZ, связанные и с хромосомой, и с кластером PomXY, могут оказывать на кластер результирующую силу».

Моделирование также показывает, что скорость движения кластера зависит от разницы между потоками PomZ в кластер с двух сторон. «Ключевой момент в том, что если кластер расположен асимметрично, то больше белков PomZ будет поступать в него со стороны более длинного сегмента нуклеоида, чем с противоположной», — объясняет Бергелер. Этот дисбаланс потока PomZ толкает кластер к середине, а не от неё. Когда кластер достигает центра хромосомы, он остаётся на месте, потому что количество молекул PomZ, воздействующих на него с каждой стороны, становится практически одинаковым.

По словам авторов, модель также представляет интерес в контексте других внутриклеточных систем позиционирования, таких как система Min для центрирования сократительного кольца в E. coli, сегрегация плазмид или механизмы локализации жгутиков. «Изучая сходства и различия между различными системами, можно выявить общие механизмы, лежащие в их основе», — говорит Фрей.

Этот взгляд подтверждается тем, что предложенный механизм в принципе может приводить к двум различным динамическим режимам. Если динамика движения PomZ вдоль нуклеоида медленная по сравнению с диффузией кластера, последний не сохраняет стабильное положение в центре, а осциллирует вокруг него.