La struttura complessa della partizione può derivare dallo scorrimento e dal ponte dei dimeri ParB

Nature Communications volume 14, numero articolo: 4567 (2023) Citare questo articolo

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In molti batteri, la segregazione cromosomica richiede l'associazione di ParB alla regione centromerica contenente parS per formare il complesso di partizione. Tuttavia, la struttura e la formazione di questo complesso non sono chiare. Recentemente, studi hanno rivelato che il legame del CTP consente ai dimeri di ParB di scivolare lungo il DNA e condensare la regione centromerica attraverso la formazione di ponti di DNA. Utilizzando simulazioni di polimeri semiflessibili, dimostriamo che queste proprietà possono spiegare la formazione del complesso di partizione. I ponti ParB transitori organizzano il DNA in stati globulari o forcine e strutture elicoidali, a seconda della durata del ponte, mentre simulazioni separate mostrano che lo scorrimento del ParB riproduce il profilo di legame a più picchi osservato nel Caulobacter crescentus. Combinando scorrimento e ponte in un modello unificato, scopriamo che i ponti ParB di breve durata non impediscono lo scorrimento e possono riprodurre sia il profilo di legame che la condensazione del complesso nucleoproteico. Nel complesso, il nostro modello chiarisce il meccanismo di formazione del complesso di partizione e ne prevede la struttura fine.

La fedele segregazione cromosomica è essenziale per l'efficiente replicazione delle cellule. Per questo, i cromosomi batterici e i plasmidi a basso numero di copie utilizzano sistemi di partizionamento attivo, tra cui il sistema ParABS è uno dei più diffusi1,2,3. Questo sistema è costituito da tre componenti: sequenze parS di tipo centromerico e due proteine, ParB che forma dimeri che si legano specificamente alla sequenza parS, e ParA, un'ATPasi, la cui attività è stimolata da ParB4,5.

ParB si diffonde a diverse kilobasi di DNA che circondano i siti parS, che nei batteri sono concentrati vicino all'origine della replicazione6. Questa diffusione è essenziale affinché questi sistemi funzionino, sebbene il grado di diffusione vari sostanzialmente tra i sistemi7,8,9,10,11,12,13. In ogni caso, si ritiene che il risultato sia un complesso nucleoproteico, il complesso di partizione, chiaramente visibile utilizzando la microscopia a fluorescenza. Originariamente si proponeva che la diffusione fosse dovuta alla formazione di un filamento nucleoproteico che si estendeva dal sito parS7,8,14. Tuttavia, è stato successivamente dimostrato che le proteine ​​ParB sono troppo poche per formare strutture così grandi10. È stato invece scoperto che ParB in vitro condensa il DNA attraverso il legame non specifico del DNA e la formazione di ponti proteici10,15,16,17,18,19.

Questi risultati hanno motivato studi di modellizzazione della formazione dei complessi di partizione. In particolare, il modello di diffusione e bridging propone che il complesso di partizione si formi attraverso una combinazione di bridging a lungo raggio (3D) e interazioni a corto raggio (1D) del vicino più vicino20. Tuttavia, è stato successivamente ritenuto che questo modello fosse incompatibile con il profilo di legame di ParB dal plasmide F11. È stato invece proposto che il profilo osservato sia dovuto all'ingabbiamento spaziale di ParB attorno al sito nucleante parS, dovuto a interazioni non specifiche e transitorie, e alla natura polimerica del DNA11,21,22. Questo modello può anche essere inteso come il limite di debole diffusione del modello di diffusione e ponte23.

Recentemente, è stato dimostrato che ParB mostra un'attività CTPasi dipendente da parS, necessaria per la corretta formazione e dinamica del complesso di partizione13,24,25,26,27,28. È stato dimostrato che i dimeri ParB legati a CTP si caricano e inglobano il DNA nei siti parS e successivamente scivolano lungo il filamento di DNA prima di dissociarsi. È stato inoltre dimostrato in vitro che il legame del CTP consente il bridging di ParB a concentrazioni fisiologiche (molto inferiori a quelle richieste in assenza di CTP10,15) e porta ad un'efficiente condensazione del DNA29,30. Questi risultati cambiano radicalmente la nostra comprensione di come si forma il complesso della partizione e suggeriscono che i modelli precedenti devono essere rivalutati. In particolare, nessuno studio di modellizzazione ha ancora fornito una struttura unificata per lo scorrimento e il collegamento dei dimeri ParB. Lo scorrimento del ParB può anche avere ulteriore rilevanza per i sistemi cromosomici ParABS, che tipicamente hanno diversi siti parS genomicamente separati e, di conseguenza, più di un picco nel profilo di legame del ParB9,10,12,13,21,31,32,33, 34, ma hanno un singolo complesso di partizione visibile per origine nelle cellule wild-type10,35.