ParB 이량체의 슬라이딩 및 브리징으로 인해 파티션 복합 구조가 발생할 수 있습니다.

Nature Communications 14권, 기사 번호: 4567(2023) 이 기사 인용

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많은 박테리아에서 염색체 분리는 ParB와 parS 함유 동원체 영역의 결합을 통해 분할 복합체를 형성해야 합니다. 그러나 이 단지의 구조와 형성은 불분명하다. 최근 연구에 따르면 CTP 결합으로 인해 ParB 이량체가 DNA를 따라 미끄러지고 DNA 브리지 형성을 통해 동원체 영역을 응축할 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 반유연 폴리머 시뮬레이션을 사용하여 이러한 특성이 파티션 복합체 형성을 설명할 수 있음을 보여줍니다. 일시적인 ParB 브리지는 브리지 수명에 따라 DNA를 구형 상태 또는 헤어핀 및 나선형 구조로 구성하는 반면, 별도의 시뮬레이션에서는 ParB 슬라이딩이 Caulobacter crescentus에서 관찰된 다중 피크 결합 프로필을 재현한다는 것을 보여줍니다. 슬라이딩과 브리징을 통합 모델로 결합하면 수명이 짧은 ParB 브리지가 슬라이딩을 방해하지 않고 핵단백질 복합체의 결합 프로필과 응축을 모두 재현할 수 있음을 알 수 있습니다. 전반적으로, 우리 모델은 파티션 복합체 형성 메커니즘을 설명하고 그 미세 구조를 예측합니다.

충실한 염색체 분리는 세포의 효율적인 복제에 필수적입니다. 이를 위해 박테리아 염색체와 저카피 플라스미드는 활성 분할 시스템을 사용하며 ParABS 시스템은 가장 널리 사용되는 시스템 중 하나입니다. 이 시스템은 동원체 유사 parS 서열과 두 개의 단백질, parS 서열에 특이적으로 결합하는 이합체를 형성하는 ParB, 그리고 ParB4에 의해 활성이 자극되는 ATPase인 ParA의 세 가지 구성 요소로 구성됩니다.

ParB는 parS 부위를 둘러싼 수 킬로베이스의 DNA로 확산되며, 박테리아에서는 복제 원점 가까이에 집중되어 있습니다6. 이러한 확산은 이러한 시스템이 기능하기 위해 필수적이지만 확산 정도는 시스템마다 크게 다릅니다7,8,9,10,11,12,13. 어쨌든 결과는 형광 현미경을 사용하여 명확하게 볼 수 있는 핵단백질 복합체, 즉 분배 복합체인 것으로 믿어집니다. 원래 확산은 parS 부위에서 뻗어나가는 핵단백질 필라멘트의 형성으로 인한 것으로 제안되었습니다7,8,14. 그러나 나중에 그러한 큰 구조를 형성하기에는 ParB 단백질이 너무 적다는 것이 밝혀졌습니다. 대신, ParB는 비특이적 DNA 결합과 단백질 가교 형성을 통해 DNA를 응축시키는 것으로 시험관 내에서 발견되었습니다.

이러한 결과는 파티션 복합체 형성에 대한 모델링 연구에 동기를 부여했습니다. 특히, 확산 및 브리징 모델은 장거리(3D) 브리징과 단거리(1D) 최근접 상호 작용의 조합을 통해 파티션 복합체가 형성된다고 제안했습니다. 그러나 이후 이 모델은 F 플라스미드11의 ParB 결합 프로파일과 양립할 수 없다는 주장이 제기되었습니다. 대신, 관찰된 프로파일은 비특이적이고 일시적인 상호 작용으로 인한 핵 생성 parS 부위 주변의 ParB의 공간적 케이지와 DNA의 고분자 특성으로 인해 발생한다고 제안되었습니다. 이 모델은 확산 및 연결 모델의 약한 확산 한계로도 이해될 수 있습니다.

최근에는 ParB가 올바른 분할 복합체 형성 및 역학에 필요한 parS 의존적 CTPase 활성을 나타내는 것으로 입증되었습니다. CTP 결합 ParB 이량체는 parS 부위의 DNA에 로드되어 이를 포함하고 이어서 DNA 가닥을 따라 미끄러져 결국 분리되는 것으로 나타났습니다. 또한 CTP 결합은 생리학적 농도(CTP10,15가 없는 경우에 필요한 것보다 훨씬 낮은 농도)에서 ParB 연결이 발생하도록 하고 효율적인 DNA 응축을 유도한다는 것이 시험관 내에서 나타났습니다29,30. 이러한 결과는 파티션 복합체가 어떻게 형성되는지에 대한 우리의 이해를 근본적으로 바꾸고 이전 모델을 재평가해야 함을 시사합니다. 특히, 아직까지 ParB 이량체 슬라이딩 및 브리징을 위한 통합 프레임워크를 제공한 모델링 연구는 없습니다. ParB 슬라이딩은 염색체 ParABS 시스템과도 추가적인 관련성을 가질 수 있습니다. 이 시스템은 일반적으로 여러 개의 게놈적으로 분리된 parS 부위를 가지며 결과적으로 ParB 결합 프로필에서 하나 이상의 피크를 갖습니다9,10,12,13,21,31,32,33, 34, 아직 야생형 세포에서는 원산지당 단일 가시 분할 복합체가 있습니다.

1, and \(\frac{p}{{k}_{ub}}=\exp ({{\Delta }}{E}^{ub}/{k}_{B}T)\), the relative bridge lifetime (see Methods). e The mean ParB weighted radius for short and long bridge lifetimes (±SD) (indicated by the dashed lines in d) as a function of the number of bridges. Data from 1000 conformations for each parameter set. Circles indicate the respective locations of f, g, and h, i. f An example conformation of the polymer in the globular state. g Average contact map at the same location based on 1000 conformations. A contact is defined as two monomers being within five lattice sites of one another. h An example conformation of the polymer in the structured state. i Average contact map at the same location, otherwise as in g. The locations studied in f, g and h, i both have an average of ~85 bridges. Equivalent plots for the coil-like regime, indicated by the leftmost circle in d are shown in Supplementary Fig. 1f, g. Source data are provided as a Source Data file./p>