The effects of the synthesis and localization of ZipA, an essential component of the Escherichia coli divisome, on division and membrane dynamics

• Autores: Laura Cueto
• Directores de la Tesis: Miguel Vicente Muñoz (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2018
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 107
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biociencias Moleculares por la Universidad Autónoma de Madrid
• Materias:
  • Física
    • Química física
      • Fenómenos de membrana
  • Química
    • Bioquímica
      • Lípidos
  • Ciencias de la vida
    • Microbiología
      • Fisiología bacteriana
  • Ciencias agrarias
    • Fitopatología
      • Bacterias
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen
  • español

    La división en bacterias es un proceso complejo que asegura la generación de dos células hijas idénticas. Este proceso se inicia en el citoplasma con el ensamblaje de la maquinaria de división, el divisoma, y finaliza con la constricción de la membrana, produciéndose por último la septación. El primer evento en producirse es el ensamblaje de FtsZ en un anillo (anillo de FtsZ) en el centro de la célula. En Escherichia coli, el anillo formado por FtsZ se ancla a la membrana a través una proteína asociada a la membrana, FtsA, y de ZipA, que es una proteína integral de membrana.

    Estas tres proteínas forman la estructura del proto-anillo que sirve como andamio para el ensamblaje del resto de proteínas de división. La posición de FtsZ en el centro de la célula viene dictaminada por mecanismos específicos como el sistema Min (de Boer et al 1989) y el sistema de oclusión por nucleoide (Woldringh et al, 1991. A nivel genético, la producción de las proteínas que conforman el divisoma debe estar controlada de forma precisa para evitar los efectos letales causados cuando la cantidad relativa de alguna de estas proteínas se altera y al mismo tiempo para asegurar que las células puedan dividirse. El mantenimiento de la integridad de la membrana celular es también esencial para asegurar que la división se lleva a cabo de forma correcta. El trabajo presentado en esta tesis está enfocado en el estudio de los mecanismos de regulación que controlan la producción de ZipA, uno de las proteínas esenciales en el proceso de división de Escherichia coli. En la sección 1 de Resultados, se analizaron las señales reguladoras que controlan la producción de ZipA. Además, en la sección 2 se estudió la asociación de ZipA con la membrana, obteniendo que ZipA está integrada en regiones específicas de la membrana de E. coli que guardan cierta similitud con las balsas lipídicas descritas en células eucariotas. Se conoce que las flotilinas, son las proteínas encargadas de organizar estas balsas lipídicas en Eucariotas (Morrow and Parton 2005), por ello en esta sección construimos un mutante deficiente en la proteína YqiK en E. coli, un homólogo estructural de las flotilinas eucariotas, y analizamos los defectos en la membrana de E. coli asociados a la ausencia de esta proteína. En la sección 3, estudiamos el efecto de la sobreproducción de ZipA en ausencia de YqiK. Los resultados obtenidos muestran que la producción de ZipA se incrementa con la velocidad de crecimiento siguiendo un patrón de tipo “housekeeper”. La producción de ZipA está controlada por señales reguladoras presentes en una región que se extiende 173 pb aguas arriba de la región codificante para la proteína, en esta región el promotor P2 es esencial para asegurar la producción de suficiente cantidad de ZipA para permitir que el proceso de división se lleve a cabo de forma correcta. Además, hemos identificado al regulador global Fis unido al promotor P2 durante el crecimiento exponencial, mientras que el represor H-NS fue identificado durante el crecimiento en fase estacionaria, unido a la región inmediatamente aguas arriba de la secuencia codificante. Fis podría activar la transcripción durante la fase de crecimiento activo mientras que H-NS parece que podría reducir la producción de ZipA para ajustarla a un crecimiento en fase estacionaria. Los resultados obtenidos con relación a membrana nos muestran que la proteína YqiK de E. coli es esencial para mantener la integridad de la membrana en condiciones de baja concentración de sal en el medio de cultivo. La falta de esta proteína reduce la fluidez de la membrana, lo que afecta a los procesos celulares asociados con la membrana como es la división. La reducción en la fluidez de la membrana podría además reducir la movilidad de ZipA dentro de la membrana, ya que nuestros resultados muestran como la reducción en la fluidez de la membrana va acompañada de la degradación de FtsZ. En base a estos resultados proponemos que la baja fluidez de la membrana originada por la ausencia de YqiK, podría reducir la capacidad de ZipA de proteger FtsZ frente a la degradación por la proteasa ClpXP.

    Nuestro trabajo evidencia que el control genético y el mantenimiento de la integridad de la membrana son esenciales para asegurar el correcto funcionamiento de ZipA, y por lo tanto de la división.

  • English

    Bacterial division is a complex process that ensures the generation of two identical daughter cells.

    This process starts in the bacterial cytoplasm with the assembly of the division machinery, the divisome, and finishes with the constriction of the bacterial membrane leading to cell separation. As an early event, FtsZ is assembled as a ring (the FtsZ-ring) at midcell. In Escherichia coli, the FtsZring is anchored to the membrane through the associated membrane protein, FtsA, and through the integral membrane protein, ZipA. These three proteins form the proto-ring structure serving as a scaffold for the assembly of the rest of the divison proteins. The midcell position of FtsZ is directed by a dedicated mechanisms as the Min system (de Boer et al 1989) and by nucleoid occlusion (Woldringh et al, 1991). These two mechanisms prevent FtsZ localization at sites different from the midcell. Being essential for bacterial propagation, division is a tightly regulated process. At the genetic level, the production of division proteins has to be precisely controlled to avoid lethal effects when the relative amount of any of the divisome elements is altered and at the same time to allow cells to divide. Maintenance of membrane integrity is also essential to ensure division to proceed in a proper way. In this thesis we focus on the study of the regulatory mechanisms controlling the production of ZipA, one of the crucial elements in the division process in Escherichia coli. In the section 1 of Results, the regulatory signals responsible for ZipA production were analyzed. We also study the association of ZipA with the E. coli membrane showing that this protein is inserted at specific membrane regions enriched in specific lipids that may be form structures similar to the eukaryotic lipid rafts. It is known that flotillins are the proteins responsible for the organization of these lipid rafts in eukaryotic cells (Morrow and Parton 2005). We construct a flotillin deficient mutant (yiqk) in E. coli to study in section 2 the membrane defects associated to the absent of flotillin. In section 3 we study the effect of ZipA overproduction in the yiqk mutant. Results show that ZipA production increases according to the bacterial growth rate following a housekeeper expression pattern. ZipA production is largely controlled by regulatory signals present in the 173-bp region upstream the zipA coding sequence. In this region the P2 promoter is essential to ensure sufficient protein production to allow E. coli division. We have identified Fis as one of the transcriptional regulators interacting with the promoter region during exponential growth phase, whereas the global repressor H-NS was found interacting with a region upstream the translational start site during stationary phase. Fis would activate transcription during exponential phase while HNS would act to decrease ZipA production at higher growth rates. We have found that the E. coli flotillin-like protein YqiK is essential to maintain membrane integrity under no-salt conditions. Our results suggest that the lack of flotillin decreases membrane fluidity, which affects membrane associated processes such as division. The decrease in membrane fluidity would decrease ZipA mobility inside the E. coli membrane. Our results show that under these conditions the lower fluidity is accompanied by a decrease in the intracellular amounts of FtsZ.. Our work empathizes that the genetic control and the maintenance of membrane integrity are essential to ensure a correct function of ZipA, and therefore an efficient division process in E. coli.