Молекулярные основы и принципы проектирования переключаемого фронта

Nature Communications, том 14, номер статьи: 4056 (2023) Цитировать эту статью

969 Доступов

7 Альтметрика

Подробности о метриках

Во время миграции клеток передне-задняя полярность регулируется пространственно-временно; однако основная структура регулятивного взаимодействия различается. В палочковидных клетках Myxococcus xanthus пространственный тумблер динамически регулирует передне-заднюю полярность. Модуль полярности устанавливает передне-заднюю полярность, гарантируя локализацию переднего полюса небольшой ГТФазы MglA. И наоборот, хемосенсорная система Frz, воздействуя на модуль полярности, вызывает инверсию полярности. Локализация MglA зависит от комплексов RomR/RomX GEF и MglB/RomY GAP, которые локализуются асимметрично полюсам с помощью неизвестных механизмов. Здесь мы показываем, что RomR и белки домена Roadblock MglB и MglC генерируют положительную обратную связь, образуя комплекс RomR/MglC/MglB, тем самым устанавливая задний полюс с высокой активностью GAP, который непроницаем для MglA. MglA спереди участвует в отрицательной обратной связи, которая аллостерически нарушает положительную обратную связь RomR/MglC/MglB, тем самым обеспечивая низкую активность GAP на этом полюсе. Эти выводы раскрывают принципы проектирования системы переключения полярности передняя-задняя.

Полярность клеток с асимметричной локализацией белков в клеточном пространстве является повсеместной и лежит в основе многих клеточных функций, включая рост и подвижность1,2,3. Тем не менее, как полярность возникает на клеточном уровне в результате локальных белок-белковых взаимодействий и как она динамически контролируется, плохо изучено. Регуляторы полярности часто подключаются для создания сетей, которые включают положительную обратную связь, отрицательную обратную связь и/или взаимное торможение2,4,5,6,7. В регуляции транскрипции хорошо известно, что различные конструкции регуляторных цепей могут приводить к функционально эквивалентным результатам, например, двойная негативная регуляция функционально эквивалентна двойной положительной регуляции8. Точно так же сети, регулирующие полярность, с функционально эквивалентными результатами могут иметь разные конструкции, что поднимает вопрос о том, почему была выбрана конкретная конструкция сети.

Постоянной темой в системах, регулирующих полярность, является локализация активной GTP-связанной формы малой GTPase в одном внутриклеточном месте6,7,9,10,11,12. ГТФаза, в свою очередь, взаимодействует с нижестоящими эффекторами для реализации определенного ответа. Эти GTPases представляют собой молекулярные переключатели, которые чередуются между неактивной, связанной с GDP, и активной, связанной с GTP конформацией13. Цикл активации/дезактивации регулируется родственным фактором обмена гуанин-нуклеотидов (GEF), который облегчает обмен GDP на GTP, и белком, активирующим GTPase (GAP), который стимулирует низкую внутреннюю активность GTPase14. Две экспериментально и теоретически хорошо изученные системы иллюстрируют, как сети, регулирующие полярность разной конструкции, могут привести к эквивалентным результатам. У Saccharomyces cerevisiae, лишенных небольшой ГТФазы Rsr1, расположение единственного участка почки зависит от того, где ГТФаза Cdc42 спонтанно образует одиночный кластер на мембране. Ответственная регулирующая сеть сосредоточена как минимум на одном положительном отзыве, непосредственно касающемся Cdc424,9. Вкратце, Cdc42-GTP спонтанно образует кластер на мембране, а затем рекрутирует комплекс, включающий GEF Cdc249. Поскольку Cdc24 активирует дополнительный Cdc42, рекрутирование Cdc24 стимулирует накопление дополнительного Cdc42-GTP, закрывая положительную обратную связь9. GAP Cdc42 ингибируют рост кластера Cdc42 и могут быть частью отрицательной обратной связи9,15,16. В альтернативной системе однонаправленная миграция палочковидных клеток бактерии Myxococcus xanthus зависит от локализации ГТФазы MglA на ведущем переднем полюсе. В этом случае положительная обратная связь затрагивает не MglA, а скорее GAP MglB и каркас RomR17. В конечном итоге эти два белка образуют задний, отстающий полюс с высокой активностью GAP, оставляя только противоположный полюс свободным для рекрутирования MglA-GTP17. Таким образом, обе системы генерируют один кластер Cdc42/MglA. Здесь мы сосредотачиваемся на механистической основе установления полярности у M. xanthus и функциональных свойствах, придаваемых базовой сетью, по сравнению со схемой, которая вызывает образование кластера Cdc42.