FtsZ

FtsZ
세포분할단백질FtZ
식별자
기호FtsZ
인터프로IPR000158
Cath1fsz
SCOP21fsz / SCOPe / SUPFAM
CDDcd02201
FtsZ, C-단자 샌드위치
식별자
기호FtsZ_C
PfamPF12327
인터프로IPR024757
세포분할단백질FtZ
PDB 1fsz EBI.jpg
FTSZ의 분자 구조(PDB 1fsz).
식별자
유기체대장균
기호ftsz
유니프로트P0A9A6

FtsZ는 ftsZ 유전자가 인코딩한 단백질로, 미래의 박테리아 세포분열부(Z 링이라고도 한다)에서 링으로 조립된다. FtsZ는 진핵 단백질 튜불린의 원핵동맥이다. 이니셜 FtsZ는 "온도에 민감한 돌연변이 Z"를 의미한다. 딸세포가 서로 분리되지 못해 대장균의 세포분열 돌연변이가 필라멘트로 성장한다는 가설이었다. FtsZ는 세포 분열을 위해 필수적인 거의 모든 박테리아, 많은 고고학, 모든 엽록체, 그리고 일부 미토콘드리아에서 발견된다. FtsZ는 추가적인 단백질과 함께 세포를 둘로 나누기 위해 수축하는 Z 링의 세포골격계 비계를 조립한다.

역사

1960년대에 과학자들은 42 °C에서 세포 분열을 막는 온도 민감 돌연변이를 검사했다. 돌연변이 세포는 30°에서 정상적으로 분열했지만 42°에서는 분열하지 못했다. 분할 없이 지속적인 성장으로 긴 필라멘트 셀(필라멘팅 온도 민감)이 생성되었다. 그러한 돌연변이 몇 마리가 발견되어 원래 ftsA라는 이름의 거점에 매핑되었는데, 이것은 하나 이상의 유전자가 될 수 있다. 1980년에 루케나우스와 도나치는[1] 이러한 돌연변이들 중 몇 개가 하나의 유전자인 ftsA에 매핑되었지만, 성격 좋은 돌연변이 PAT84는 원래 히로타 외 에 의해 발견되어 [2]별도의 인접 유전자에 매핑되는 것을 보여주었다. 그들은 이 세포분열 유전자 이름을 ftsZ라고 지었다. 1991년 Bi와 Lutkenhaus는 중간 세포에서 FtsZ가 발작성 중격막에 국부화되었다는 것을 보여주기 위해 면역학적 전자 현미경을 사용했다.[3] 그 후 로식 및 마골린 집단은 면역-화상 현미경[4] 검사 및 GFP[5] 퓨즈를 사용하여 FtsZ가 세포 주기 초기에 Z 고리를 조립했다는 것을 보여주었는데, 이는 중격파가 수축하기 훨씬 전부터였다. 그리고 나서 다른 분할 단백질은 Z 링에 모이고 수축은 세포 주기의 마지막 부분에서 일어난다.

1992-3년에 3개의 실험실에서 FtsZ가 마이크로튜브로 조립되는 단백질 소단위인 진핵투불린과 관련이 있다는 것을 독자적으로 발견했다.[6][7][8] 이것은 박테리아가 진핵 세포골격계 단백질의 동질성을 가지고 있다는 최초의 발견이었다. 후에 나온 연구는 FtsZ가 거의 모든 박테리아와 모든 고고학에서 세포 분열을 위해 필수적으로 존재한다는 것을 보여주었다.

미토콘드리아와 엽록체는 박테리아 내합성 물질로 유래한 진핵성 유기체여서 분열을 위해 FtsZ를 사용하는지에 대한 관심이 높았다. 엽록체 FtsZ는 오스테령(Osteryoung)에 의해 처음 발견되었으며,[9] 현재는 모든 엽록체들이 분열을 위해 FtsZ를 사용하는 것으로 알려져 있다. 미토콘드리아 FtsZ는 베크가[10] 알가에서 발견했고 FtsZ는 일부 진핵생물의 미토콘드리아 분할에 사용되는 반면 다른 것들은 다이너민 기반 기계로 대체했다.

함수

FtsZ의 억제는 중격 형성을 방해하여 박테리아 세포의 필라멘트를 유발한다(전자 마이크로그래프의 오른쪽 상단).

세포분열 중 FtsZ는 분단현장으로 이동하는 첫 번째 단백질로 분단세포 사이에 새로운 세포벽(세분)을 생성하는 다른 단백질을 모집하는 데 필수적이다. FtsZ의 세포분열 역할은 진핵세포분열에서 튜불린과 유사하지만, 진핵생물에서 액틴묘신 링과 달리 FtsZ는 이와 연관된 알려진 운동단백질이 없다. 따라서 사이토키네틱 힘의 기원은 여전히 불명확하지만, 새로운 세포벽의 국부적인 합성이 적어도 이 힘의 일부를 생산한다고 여겨진다.[11] 오사와 리포솜(2009)에서 FtsZ는 다른 단백질이 없는 상태에서 수축력을 발휘할 수 있다는 것을 보여주었다.[12]

에릭슨(2009)은 세포분열에서 튜불린과 같은 단백질과 액틴과 같은 단백질의 역할이 어떻게 진화적 미스터리 속에서 역전되는지를 제안했다.[13] 엽록체와 일부 미토콘드리아를 나누는 데 FtsZ 반지를 사용함으로써 그들의 원핵 혈통이 더욱 확립된다.[14] 세포벽이 없는 L형 박테리아는 분열을 위해 FtsZ를 필요로 하지 않으며, 이는 박테리아가 세포분열을 위한 조상모드의 구성요소를 보유했을 수 있음을 의미한다.[15]

투불린과 마이크로튜브의 동적 중합 활동에 대해서는 많이 알려져 있지만 FtsZ에서는 이러한 활동에 대해서는 거의 알려져 있지 않다. 단일 가닥의 튜불린 프로토필라멘트가 13개의 좌초된 마이크로튜브로 형성되는 것으로 알려져 있지만, FtsZ 함유 Z링의 다연장 구조는 알려져 있지 않다. 그 구조가 중복되는 원형으로 이루어져 있다는 추측만 있을 뿐이다. 그럼에도 불구하고, 살아있는 박테리아 세포에서 FtsZ를 이미징하는 것뿐만 아니라 지원되는 지질 빌레이에 정제된 FtsZ를 사용한 최근 연구는 FtsZ 프로토필름이 극성을 가지고 있고 트레드밀링에[16] 의해 한 방향으로 이동한다는 것을 보여주었다(아래 참조).

최근 바실러스 종에서 발견된 대형 플라스미드에서 튜불린이나 FtsZ와 유사한 단백질이 발견되고 있다. 그것들은 박테리아에서 염색체/플라스미드를 분할하는 다단백질 복합체인 세그로솜의 성분으로 기능하는 것으로 여겨진다. 튜불린/FtsZ의 플라스미드 호몰로그는 필라멘트로 중합하는 능력을 보존한 것으로 보인다.

수축기 링("Z 링")

Z-링은 FtsZ 필라멘트의 더 작은 서브유닛에서 형성된다. 이 필라멘트들은 서로 잡아당겨서 세포를 나누기 위해 조여질 수 있다.
두 개의 대장균 세포에서 서로 다른 수축 단계에서 Z 링(녹색)의 초해상도 이미지.

FtsZ는 GTP에 바인딩할 수 있는 기능을 가지고 있으며, GTP를 GDP로 가수 분해할 수 있는 GTPase 도메인과 인산염 그룹을 표시하기도 한다. 체내 FtsZ는 서브유닛의 반복적인 배열로 필라멘트를 형성하며, 모두 머리부터 꼬리까지 배열된다.[17] 이 필라멘트는 세포의 세로 중간점, 즉 중격 주위에 고리를 형성한다. 이 반지는 Z-링이라고 불린다.

단백질의 GTP 가수분해 활성은 필라멘트나 세포분열을 형성하는데 필수적이지 않다. GTPase 활성에서 결함이 있는 돌연변이는 여전히 분열하는 경우가 많지만, 때로는 뒤틀리고 질서 정연한 셉타를 형성하기도 한다. FtsZ가 실제로 분열을 일으키는 물리력을 제공하는지, 아니면 다른 단백질이 분열을 실행하는 데 표식 역할을 하는지에 대해서는 불분명하다.

만약 FtsZ가 세포를 나누는 힘을 제공한다면, 그것은 서브유닛의 상대적인 움직임을 통해 그렇게 할 수 있다. 컴퓨터 모델과 생체내 측정은 단일 FtsZ 필라멘트가 30 서브유닛 이상의 길이를 유지할 수 없음을 시사한다. 이 모델에서 FtsZ 탈색력은 서브유닛의 상대적인 측면 운동에서 나온다.[18] FtsZ의 선들은 평행하게 나란히 늘어서서 서로 잡아당겨 스스로를 조이는 많은 문자열의 "코드"를 만들어 낼 것이다.

다른 모델에서 FtsZ는 수축력을 제공하지 않고 세포의 분열을 실행할 다른 단백질을 위한 공간적 비계를 세포에 제공한다. 이는 건축 노동자들이 접근하기 어려운 건물의 장소에 접근하기 위해 임시 구조물을 만든 것과 비슷하다. 임시 구조물은 제한 없이 접근할 수 있고 근로자들이 모든 장소에 도달할 수 있도록 보장한다. 임시 구조물이 제대로 지어지지 않으면 근로자들이 특정 장소에 접근할 수 없고, 건물도 부족해진다.

비계 이론은 고리의 형성과 막에 대한 국소화가 다수의 부속 단백질의 결합 작용을 필요로 한다는 것을 보여주는 정보에 의해 뒷받침된다. ZipA 또는 Actin homologue FtsA는 막에 초기 FtsZ 위치추정을 허용한다.[19] 멤브레인 국산화 이후 링 조립을 위해 Fts 계열의 분할 단백질을 모집한다.[20] 이러한 단백질 중 다수는 중간세포(FtSI, FtsW)에서 새로운 분열성분석의 합성을 지시하거나, 이 합성의 활동을 조절한다(FtsQ, FtsL, FtsB, FtsN). Z-링 형성의 타이밍은 FtsZ 필라멘트 형성을 허용하는 공간적 또는 시간적 신호의 가능성을 시사한다.

최근 여러 종의 초해상도 이미징은 FtsZ 프로토필름 또는 프로토필름 다발의 작은 클러스터가 트레드밀링에 의해 링의 둘레를 단방향으로 이동하며 FtsA와 다른 FtsZ 고유의 멤브레인 테더에 의해 멤브레인에 고정되는 동적 비계 모델을 지원한다.[21][22] 트레드밀링 속도는 FtsZ 원형질 내 GTP 가수분해 속도에 따라 달라지지만, 대장균에서 분절정막 합성은 사이토키네시스(cytokinesis)에 대한 속도 제한 단계로 남아 있다.[23] FtsZ의 트레드밀링 작용은 셉탈 펩티도글리칸 합성효소에 의한 디비전 셉텀의 적절한 합성을 위해 필요하며, 이러한 효소가 필라멘트의 성장하는 끝을 추적할 수 있음을 시사한다.

9중 국소화 및 세포내 신호 전달

Z-링의 형성은 복제와 관련된 세포 과정과 밀접하게 일치한다. Z-링 형성은 대장균에서의 게놈 복제의 종료와 일치하며, B. 하위조직에서의 염색체 복제의 70%와 일치한다.[24] Z-링 형성의 타이밍은 FtsZ 필라멘트 형성을 허용하는 공간적 또는 시간적 신호의 가능성을 시사한다. 대장균에서 FtsZ 어셈블리의 최소 두 개의 음성 조절기가 양극성 구배를 형성하여 FtsZ 어셈블리에 필요한 FtsZ의 임계 농도가 두 분리 염색체 사이의 중간 세포에서 가장 낮다. 이런 종류의 규제는 바실러스 아열대나 코로박터 크레센투스 같은 다른 종에서 일어나는 것 같다. 그러나, 스트렙토코쿠스 진폐증과 마이코코쿠스 크산토스를 포함한 다른 종들은 중간 세포에서 FtsZ 어셈블리를 자극하는 양성 조절기를 사용하는 것으로 보인다.[25]

의사소통 조난

FtsZ 중합은 DNA 손상과 같은 스트레스 요인과도 연결된다. DNA 손상은 다양한 단백질이 제조되도록 유도하는데 그 중 하나인 술라(SulA)가 그것이다.[26] SulA는 FtsZ의 중합과 GTPase 활성화를 방지한다. SulA는 FtsZ 사이트를 자인하는 것에 구속력을 갖음으로써 이 임무를 완수한다. FtsZ를 격리시킴으로써, 세포는 DNA 손상을 세포 분열을 억제하는 것과 직접 연관시킬 수 있다.[27]

DNA 손상 방지

술라와 마찬가지로, 딸 세포로 전송되는 유전 정보를 교란시키는 세포 분열을 막는 다른 메커니즘이 있다. 지금까지 두 가지 단백질이 대장균과 B. 미분열에서 확인되었는데, 이는 핵종 영역으로 분열을 막는 것이다. Noc와 SlmA. noc 유전자 결핍은 핵세포 부위와 무관하게 분열하는 세포를 발생시켜 딸세포 사이의 비대칭 분할을 초래한다. 이 메커니즘은 잘 이해되지 않지만, FtsZ의 분리작용을 수반하는 것으로 생각되어, 핵물질 부위에 대한 중합작용을 방지한다.[28] SlmA가 뉴클레오이드 위에 FtsZ 중합성을 억제하기 위해 사용하는 메커니즘을 더 잘 이해할 수 있으며, 두 개의 별도 단계를 사용한다. SlmA의 한 영역은 FtsZ 폴리머에 결합되고, 그 다음에는 SlmA의 별도 영역이 폴리머를 분리한다.[30] FtsZ 링의 위치설정에 관여하는 FtsZ 중합화의 또 다른 억제제인 MinC가 유사한 메커니즘을 사용하는 것으로 생각된다.[31]

임상적 유의성

현재 다약 내성 세균성 균주의 수가 증가하고 있어 새로운 항균제 개발을 위한 약물 목표 파악이 시급하다. 세포분열을 막는데 있어서 FtsZ의 잠재적인 역할은 박테리아 종에 걸친 높은 보존도와 함께 FtsZ를 새로운 항생제 개발의 매우 매력적인 대상으로 만들고 있다.[32] 연구원들은 FtsZ의 억제제로서 합성 분자와 천연물을 연구해왔다.[33]

참고 항목

참조

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