Nukleation pflanzlicher Mikrotubuli: Expression relevanter Gene

Die wichtigsten Bestandteile des Cytoskeletts in pflanzlichen Zellen sind die Actinfilamente und die Mikrotubuli. Die Mikrotubuli spielen in der Organisation und der Morphogenese von pflanzlichen Zellen eine wichtige Rolle. Sie sind zusammen mit den Cellulosefibrillen an der Formgebung der Pflanzenzelle beteiligt. Sie bilden das Präprophaseband, das die Zellteilungsebene bestimmt und die Mitosespindel, die für die Trennung der Chromosomen sorgt, sowie den Phragmoplasten, der die Zellwand zwischen den Tochterzellen bildet. Weiterhin geben die Mikrotubuli durch Interaktion mit den Cellulose-Synthase-Komplexen die Richtung der Zellexpansion vor (GRANGER und CYR, 2001; LLOYD und CHAN, 2002; BASKIN, 2002). Die Mikrotubuli sind auch an der Stabilisierung der Zellform und an Transportprozessen beteiligt. Als Bestandteil der Mikrotubuli-organisierenden Zentren (MTOCs) wurde das γ-Tubulin identifiziert, das sehr wahrscheinlich an der Nukleation der Mikrotubuli beteiligt ist, indem es die Assemblierung der αβ-Tubulindimere zu Mikrotubuli einleitet. In tierischen Zellen ist durch intensive Forschung inzwischen relativ viel über die Funktion von γ-Tubulin, vor allem im Verlauf der Zellteilung bekannt, wie z. B. die Lokalisation in Centrosomen mit ihren paarweise angeordneten Centriolen, die die MTOCs darstellen. In pflanzlichen Zellen sind bisher nur wenige Funktionen des Proteins hinreichend geklärt. Die höheren Pflanzen besitzen keine Centriolen und keine Centrosomen. Über die Zellteilung hinaus gibt es kaum Anhaltspunkte über das Vorhandensein oder eventuelle Aufgaben von γ-Tubulin in expandierenden und voll expandierten Zellkulturen und Pflanzengeweben. In dieser Arbeit wurde die Expression über PCR und die Messung des Proteingehalts von cytoskelett-relevanten Proteinen in den Entwicklungsstadien der Zellsuspensionskultur (BY-2) und von Blattstadien der Tabakpflanze (SR1) von Nicotiana tabacum gemessen. Primäres Ziel war es eine Aussage zu erhalten, in welchem Ausmaß γ-Tubulin in expandierenden und voll expandierten Zellen noch exprimiert wird und ob bzw. wie eine Regulation (transkriptionell oder posttranskriptionell) des γ-Tubulins in der Pflanze stattfindet. Für den Nachweis des γ-Tubulins auf der Proteinebene wurde ein pflanzenspezifischer γ-Tubulin Antikörper zu entwickelt. Bei diesem Antikörper handelte es sich um einen polyklonalen Antikörper, der spezifisch gegen eine Sequenz in pflanzlichem γ-Tubulin gerichtet ist. Dabei zeigte der in der Arbeit entwickelte Antikörper gegen die pflanzliche JOSHI-Domäne spezifische Signale. Der erfolgte Nachweis von γ-Tubulin auf der Proteinebene und der Transkripte zeigte bis in die ältesten untersuchten Stadien der Zellsuspensionskultur (BY-2) und in Geweben der Blattstadien der Tabakpflanze (SR1) deutliche Signale für γ-Tubulin. Es war somit nicht nur in meristematisch aktiven Zellen und Geweben von Nicotiana tabacum, sondern auch in nichtmitotischen Zellen und Geweben vorhanden. Hierbei war über die Phasen der Zellteilung und der Zellformgebung hinweg auf beiden Ebenen eine parallele Entwicklung mit relativ konstanten starken Signalen zu beobachten. Nach dem Einstellen der Teilungsaktivität fiel der Gehalt an mRNA deutlich ab. Dabei nahm die Konzentration des Proteins im Vergleich zur mRNA zeitlich verzögert ab. Diese Ergebnisse bei der Zellsuspensionskultur (BY-2) und Tabakpflanze (SR1) gehen mit der möglichen Nukleationstätigkeit des Proteins konform. Es waren geringere aber doch deutlichen Signale bei Absterbenden Zellen der Zellkultur, bzw. bei expandierenden und voll expandierten und seneszenten Blättern der Tabakpflanze (SR1) nachzuweisen. Dies lässt die Folgerung zu, dass die nachgewiesene mRNA von γ-Tubulin nicht posttranskriptionell reguliert wird, sondern dass das γ-Tubulin auch eine wichtige Rolle außerhalb der Zellteilung in den postmitotischen Stadien, z. B. als organisierender Faktor bei der Umgestaltung oder Stabilisierung des Mikrotubuli-Cytoskeletts, spielt. Der γ-Tubulin-Gehalt in den Geweben der SR1-Pflanze zeigte über die Zellkultur hinaus, dass die Expression von α-Tubulin nach Einstellen der Teilungsaktivität kontinuierlich abnimmt. Dieses Ergebnis legt die Vermutung nahe, dass γ-Tubulin in älteren Blattgeweben zusätzliche Aufgaben übernehmen könnte, die nicht auf eine gleichzeitige Expression von α-Tubulin angewiesen sind. So kann beispielsweise eine Beteiligung von γ-Tubulin an der Stabilisierung der Mikrotubuli, und damit einhergehend eine Abnahme der dynamischen Instabilität dieser Filamente, eine denkbare Funktion des Proteins in expandierendem und voll expandiertem Gewebe sein. Die Aufgaben von γ-Tubulin in sehr altem Gewebe mit deutlichen Anzeichen der Seneszenz können allerdings nach dem derzeitigen Stand der Forschung nicht eindeutig beantwortet werden und bedürfen weitergehenden Untersuchungen, da dadurch ein die Komplexität und die Dynamik des pflanzlichen Cytoskeletts geklärt werden kann.

Charakterisierung einer pflanzlichen Variante des Cytoskelettproteins gamma-Tubulin durch Strukturmodellierung, Überexpression und Analyse der Interaktionspartner

Wie alle Eukaryoten besitzen auch höhere Pflanzen ein mikrotubuläres Cytoskelett. Einige Funktionen dieses Cytoskeletts sind relativ stark konserviert, andere dagegen scheinen sehr pflanzenspezifisch zu sein. Dies betrifft insbesondere charakteristische mikrotubuläre Netzwerke, die bei der Neubildung und der Verstärkung der Zellwände wichtige Rollen übernehmen. Wie der Aufbau dieser Netzwerke kontrolliert wird, ist bisher relativ unklar. Typische Mikrotubuli organisierende Zentren (MTOC), insbesondere Centrosomen oder Spindelpolkörper, sind bei höheren Pflanzen nicht beobachtet worden. Von pilzlichen und tierischen Organismen weiß man, dass gamma-Tubulin (gTUB) mit seinen assoziierten Proteinen in den MTOC bei der Nukleation von Mikrotubuli eine Schlüsselfunktion hat. Dieses Mitglied der Tubulin-Superfamilie wird aber auch in Pflanzen gefunden, dessen genaue Funktion bisher unbekannt ist. Zu Beginn der Arbeit wurden mittels in silico Berechnungen Strukturmodelle des pflanzlichen gTUBs aus Nicotiana tabacum erarbeitet, da die Struktur, die zu einem Verständnis der pflanzlichen Wachstumsregulation beitragen könnte, bisher unbekannt ist. Auf Grundlage der bioinformatischen Daten konnte für weitere Studien eine notwendige gTUB-Deletionsmutante entwickelt werden. Für Röntgendiffraktionsstudien und gTUB-Interaktionspartneranalysen war die Verfügbarkeit verhältnismäßig großer Proteinmengen notwendig. Die Expression der gTUB-Volllängensequenz in gelöster und aktiver Form stellte einen immanent wichtigen Zwischenschritt dar. Das Escherichia coli T7/lacO-Expressionssystem lieferte, trotz vielversprechender Erfolge in der Vergangenheit, kein gelöstes rekombinantes gTUB. So wurden zwar verhältnismäßig hohe Expressionsraten erzielt, aber das rekombinante gTUB lag quantitativ als Inclusion bodies vor. Eine Variationen der Expressionsparameter sowie umfangreiche Versuche mittels verschiedenster Konstrukte sowie potentiell die Löslichkeit erhöhenden Tags gTUB in gelöster Form in E. coli zu exprimieren blieben erfolglos. Eine Denaturierung der Inclusion bodies und Rückfaltung wurde aufgrund der wohl bei der Tubulinfaltung notwendigen komplexeren Chaperone sowie thermodynamischer Überlegungen ausgeschlossen. Die höher evolvierte Chaperonausstattung war ein Hauptgrund für die Verwendung der eukaryotischen Hefe-Expressionssysteme K. lactis und des S. cerevisiae-Stammes FGY217 zur gTUB-Expression. So konnten nach der Selektion nur transgene Hefe-Zellen dokumentiert werden, die die gTUB-Expressionskassette nachweislich an der vorgesehenen Zielposition in ihrem Genom integrierten, aber keine dokumentierbare Expression zeigten. Die wahrscheinlichste Begründung hierfür ist, dass ein erhöhter intrazellulärer gTUB-Titer mit dem Zellwachstum und der Zellteilung dieser eukaryotischen Organismen interferierte und durch Rückkopplungen die rekombinante gTUB-CDS aus N. tabacum ausgeschaltet wurde. Der Versuch einer transienten gTUB-Überexpression in differenzierten Blattgeweben höherer Pflanzen war eine logische Konsequenz aus den vorherigen Ergebnissen und lieferte, wenn auch nicht die für eine Proteinkristallisation notwendigen Mengen, gelöstes gTUB. Bestrebungen einer stabilen Transfektion von A. thaliana oder BY-2-Zellkulturen mit einer gTUB-CDS lieferten keine transgenen Organismen, was starke Interferenzen der rekombinanten gTUB-CDS in den Zellen vermuten lies. Transfektionsversuche mit nur GFP tragenden Konstrukten ergaben hingegen eine hohe Anzahl an transgenen Organismen, die auch verhältnismäßig starke Expressionsraten zeigten. Die erzielten Proteinmengen bei der transienten gTUB-Überexpression in N. benthamiana Blattgeweben, in Co-Expression mit dem Posttransriptional Gene Silencing-Suppressorprotein p19, waren für einen Pull-Down sowie eine massenspektroskopische Analyse der Interaktionspartner ausreichend und ergaben Befunde. Eine abschließende Auswertung des erarbeiteten massenspektroskopischen Datensatzes wird jedoch erst dann möglich sein, wenn das Tabak-Proteom vollständig sequenziert ist. Die Erweiterung der bestehenden pflanzlichen Vergleichsdatenbanken um das bisher bekannte Tabak-Proteom vervielfachte die Anzahl der in dieser Studie identifizierten gTUB-Interaktionspartner. Interaktionen mit dem TCP1-Chaperon untermauern die Hypothese der zur Faltung pflanzlichen gTUBs notwendigen Chaperone. Beobachtete gTUB-Degradationsmuster in Verbindung mit Interaktionen des 26S-Proteasoms deuten auf eine Gegenregulationen bei erhöhtem gTUB-Titer auf Proteinebene hin. Da Blattgewebe selbst nur noch über eine sehr geringe und inhomogene Teilungsaktivität verfügen ist diese Regulation hoch spannend. Auch konnte durch Co-Expression des PTGS-Suppressorproteins p19 gezeigt werden, dass bei der gTUB-Expression eine Regulation auf RNA-Ebene erfolgt.

Plant nuclear gene knockout reveals a role in plastid division for the homolog of the bacterial cell division protein FtsZ, an ancestral tubulin

Little is known about the division of eukaryotic cell organelles and up to now neither in animals nor in plants has a gene product been shown to mediate this process. A cDNA encoding a homolog of the bacterial cell division protein FtsZ, an ancestral tubulin, was isolated from the eukaryote Physcomitrella patens and used to disrupt efficiently the genomic locus in this terrestrial seedless plant. Seven out of 51 transgenics obtained were knockout plants generated by homologous recombination; they were specifically impeded in plastid division with no detectable effect on mitochondrial division or plant morphology. Implications on the theory of endosymbiosis and on the use of reverse genetics in plants are discussed.

An essential cell division gene of Drosophila, absent from Saccharomyces, encodes an unusual protein with tubulin-like and myosin-like peptide motifs

Null mutations at the misato locus of Drosophila melanogaster are associated with irregular chromosomal segregation at cell division. The consequences for morphogenesis are that mutant larvae are almost devoid of imaginal disk tissue, have a reduction in brain size, and die before the late third-instar larval stage. To analyze these findings, we isolated cDNAs in and around the misato locus, mapped the breakpoints of chromosomal deficiencies, determined which transcript corresponded to the misato gene, rescued the cell division defects in transgenic organisms, and sequenced the genomic DNA. Database searches revealed that misato codes for a novel protein, the N-terminal half of which contains a mixture of peptide motifs found in α-, β-, and γ-tubulins, as well as a motif related to part of the myosin heavy chain proteins. The sequence characteristics of misato indicate either that it arose from an ancestral tubulin-like gene, different parts of which underwent convergent evolution to resemble motifs in the conventional tubulins, or that it arose by the capture of motifs from different tubulin genes. The Saccharomyces cerevisiae genome lacks a true homolog of the misato gene, and this finding highlights the emerging problem of assigning functional attributes to orphan genes that occur only in some evolutionary lineages.

Bacterial cell division protein FtsZ assembles into protofilament sheets and minirings, structural homologs of tubulin polymers.

The bacterial cell division protein FtsZ is a homolog of tubulin, but it has not been determined whether FtsZ polymers are structurally related to the microtubule lattice. In the present study, we have obtained high-resolution electron micrographs of two FtsZ polymers that show remarkable similarity to tubulin polymers. The first is a two-dimensional sheet of protofilaments with a lattice very similar to that of the microtubule wall. The second is a miniring, consisting of a single protofilament in a sharply curved, planar conformation. FtsZ minirings are very similar to tubulin rings that are formed upon disassembly of microtubules but are about half the diameter. This suggests that the curved conformation occurs at every FtsZ subunit, but in tubulin rings the conformation occurs at either beta- or alpha-tubulin subunits but not both. We conclude that the functional polymer of FtsZ in bacterial cell division is a long thin sheet of protofilaments. There is sufficient FtsZ in Escherichia coli to form a protofilament that encircles the cell 20 times. The similarity of polymers formed by FtsZ and tubulin implies that the protofilament sheet is an ancient cytoskeletal system, originally functioning in bacterial cell division and later modified to make microtubules.

Investigating the Structure of FtsZ to Understand its Functional Role in Bacterial Cell Division

FtsZ, a bacterial tubulin homologue, is a cytoskeleton protein that plays key roles in cytokinesis of almost all prokaryotes. FtsZ assembles into protofilaments (pfs), one subunit thick, and these pfs assemble further to form a “Z ring” at the center of prokaryotic cells. The Z ring generates a constriction force on the inner membrane, and also serves as a scaffold to recruit cell-wall remodeling proteins for complete cell division in vivo. FtsZ can be subdivided into 3 main functional regions: globular domain, C terminal (Ct) linker, and Ct peptide. The globular domain binds GTP to assembles the pfs. The extreme Ct peptide binds membrane proteins to allow cytoplasmic FtsZ to function at the inner membrane. The Ct linker connects the globular domain and Ct peptide. In the present studies, we used genetic and structural approaches to investigate the function of Escherichia coli (E. coli) FtsZ. We sought to examine three questions: (1) Are lateral bonds between pfs essential for the Z ring? (2) Can we improve direct visualization of FtsZ in vivo by engineering an FtsZ-FP fusion that can function as the sole source of FtsZ for cell division? (3) Is the divergent Ct linker of FtsZ an intrinsically disordered peptide (IDP)?

One model of the Z ring proposes that pfs associate via lateral bonds to form ribbons; however, lateral bonds are still only hypothetical. To explore potential lateral bonding sites, we probed the surface of E. coli FtsZ by inserting either small peptides or whole FPs. Of the four lateral surfaces on FtsZ pfs, we obtained inserts on the front and back surfaces that were functional for cell division. We concluded that these faces are not sites of essential interactions. Inserts at two sites, G124 and R174 located on the left and right surfaces, completely blocked function, and were identified as possible sites for essential lateral interactions. Another goal was to find a location within FtsZ that supported fusion of FP reporter proteins, while allowing the FtsZ-FP to function as the sole source of FtsZ. We discovered one internal site, G55-Q56, where several different FPs could be inserted without impairing function. These FtsZ-FPs may provide advances for imaging Z-ring structure by super-resolution techniques.

The Ct linker is the most divergent region of FtsZ in both sequence and length. In E. coli FtsZ the Ct linker is 50 amino acids (aa), but for other FtsZ it can be as short as 37 aa or as long as 250 aa. The Ct linker has been hypothesized to be an IDP. In the present study, circular dichroism confirmed that isolated Ct linkers of E. coli (50 aa) and C. crescentus (175 aa) are IDPs. Limited trypsin proteolysis followed by mass spectrometry (LC-MS/MS) confirmed Ct linkers of E. coli (50 aa) and B. subtilis (47 aa) as IDPs even when still attached to the globular domain. In addition, we made chimeras, swapping the E. coli Ct linker for other peptides and proteins. Most chimeras allowed for normal cell division in E. coli, suggesting that IDPs with a length of 43 to 95 aa are tolerated, sequence has little importance, and electrostatic charge is unimportant. Several chimeras were purified to confirm the effect they had on pf assembly. We concluded that the Ct linker functions as a flexible tether allowing for force to be transferred from the FtsZ pf to the membrane to constrict the septum for division.

Development and maintenance of the neuronal cytoskeleton in aggregated cell cultures of fetal rat telencephalon and influence of elevated K+ concentrations.

Serum-free aggregating cell cultures of fetal rat telencephalon were examined by biochemical and immunocytochemical methods for their development-dependent expression of several cytoskeletal proteins, including the heavy- and medium-sized neurofilament subunits (H-NF and M-NF, respectively); brain spectrin; synapsin I; beta-tubulin; and the microtubule-associated proteins (MAPs) 1, 2, and 5 and tau protein. It was found that with time in culture the levels of most of these cytoskeletal proteins increased greatly, with the exceptions of the particular beta-tubulin form studied, which remained unchanged, and MAP 5, which greatly decreased. Among the neurofilament proteins, expression of M-NF preceded that of H-NF, with the latter being detectable only after approximately 3 weeks in culture. Furthermore, MAP 2 and tau protein showed a development-dependent change in expression from the juvenile toward the adult form. The comparison of these developmental changes in cytoskeletal protein levels with those observed in rat brain tissue revealed that protein expression in aggregate cultures is nearly identical to that in vivo during maturation of the neuronal cytoskeleton. Aggregate cultures deprived of glial cells, i.e., neuron-enriched cultures prepared by treating early cultures with the antimitotic drug cytosine arabinoside, exhibited pronounced deficits in M-NF, H-NF, MAP 2, MAP 1, synapsin I, and brain spectrin, with increased levels of a 145-kDa brain spectrin breakdown product. These adverse effects of glial cell deprivation could be reversed by the maintenance of neuron-enriched cultures at elevated concentrations of KCl (30 mM). This chronic treatment had to be started at an early developmental stage to be effective, a finding suggesting that sustained depolarization by KCl is able to enhance the developmental expression and maturation of the neuronal cytoskeleton.

Asymmetric cell division intersects with cell geometry : a method to extrapolate and quantify geometrical parameters of sensory organ precursors

La division cellulaire asymétrique (DCA) consiste en une division pendant laquelle des déterminants cellulaires sont distribués préférentiellement dans une des deux cellules filles. Par l’action de ces déterminants, la DCA générera donc deux cellules filles différentes. Ainsi, la DCA est importante pour générer la diversité cellulaire et pour maintenir l’homéostasie de certaines cellules souches. Pour induire une répartition asymétrique des déterminants cellulaires, le positionnement du fuseau mitotique doit être très bien contrôlé. Fréquemment ceci génère deux cellules filles de tailles différentes, car le fuseau mitotique n’est pas centré pendant la mitose, ce qui induit un positionnement asymétrique du sillon de clivage. Bien qu’un complexe impliquant des GTPases hétérotrimériques et des protéines liant les microtubules au cortex ait été impliqué directement dans le positionnement du fuseau mitotique, le mécanisme exact induisant le positionnement asymétrique du fuseau durant la DCA n'est pas encore compris. Des études récentes suggèrent qu’une régulation asymétrique du cytosquelette d’actine pourrait être responsable de ce positionnement asymétrique du faisceau mitotique. Donc, nous émettons l'hypothèse que des contractions asymétriques d’actine pendant la division cellulaire pourraient déplacer le fuseau mitotique et le sillon de clivage pour créer une asymétrie cellulaire. Nos résultats préliminaires ont démontré que le blebbing cortical, qui est une indication de tension corticale et de contraction, se produit préférentiellement dans la moitié antérieure de cellule précurseur d’organes sensoriels (SOP) pendant le stage de télophase. Nos données soutiennent l'idée que les petites GTPases de la famille Rho pourraient être impliqués dans la régulation du fuseau mitotique et ainsi contrôler la DCA des SOP. Les paramètres expérimentaux développés pour cette thèse, pour étudier la régulation de l’orientation et le positionnement du fuseau mitotique, ouvrirons de nouvelles avenues pour contrôler ce processus, ce qui pourrait être utile pour freiner la progression de cellules cancéreuses. Les résultats préliminaires de ce projet proposeront une manière dont les petites GTPases de la famille Rho peuvent être impliqués dans le contrôle de la division cellulaire asymétrique in vivo dans les SOP. Les modèles théoriques qui sont expliqués dans cette étude pourront servir à améliorer les méthodes quantitatives de biologie cellulaire de la DCA.

Charakterisierung spezieller pflanzlicher Gamma-Tubulin-Sequenzbereiche und Detektion potentieller Interaktionspartner mittels Yeast-two-Hybrid-System

Mitotische und postmitotische Vorgänge pflanzlicher Zellen basieren auf der Funktion von Mikrotubuli. Es liegen nur wenige gesicherte Erkenntnisse zur Organisation dieser Multifunktionalität vor. Eine zentrale Bedeutung wird bei der Nukleation der Mikrotubuli an MTOCs durch γ-Tubulin zugeschrieben. Deren Zusammenlagerung an MTOCs ist jedoch noch nicht richtig verstanden. Domänen, die an der Proteinoberfläche exponiert werden, könnten in Interaktionen involviert sein. Hier werden im Besonderen der γ-A und γ-B-Peptivmotiv diskutiert. Es wurde das γ-A- und γ-B-Peptidmotiv des γ-Tubulins hinsichtlich einer Konservierung innerhalb des Pflanzenreiches untersucht. Die beiden Bereiche sind bei den grünen Landpflanzen stark konserviert. Sie divergieren stark zu den einzelligen Grünalgen Chlamydomonas reinhardtii und Chlorella spec. Es wurden daher in der bestehenden phylogentischen Lücke weitere Organismen hinsichtlich des γ-A und γ-B Peptidmotivs untersucht. Auswahlkriterien der Organismen waren Ein-/Mehrzelligkeit, Besitz/Abwesenheit von Centriolen und Besitz/Abwesenheit von Geißeln. Des weiteren wurde mit verschiedenen γ-Tubulin-Konstrukten um das γ-A- und γ-B-Peptidmotiv, gewonnen aus Nicotiana tabacum (BY2) mittels Y2H-System nach Interaktionspartnern gesucht. Bei den Sequenzuntersuchungen des γ-A- und γ-B-Peptidmotivs konnte festgestellt werden, dass die Konservierung innerhalb der Streptophytenlinie erfolgt. Interessant erweist sich die Tatsache, dass dieses Motiv bei den Jochalgen, welche ebenfalls den Streptophyten angehören, nur im γ-A-Peptidmotiv auftritt. Es besteht die Möglichkeit, dass die beiden potentiellen Interaktionspartner verschiedene Proteine als Interaktions-partner besitzen. Durch eine Anwendung eines auf dem GAL4-Protein basierenden Y2H-Systems mit vier unterschiedlichen Konstrukten des γ-Tubulin-A/B-Peptidbereichs als Köder-konstrukt und einer cDNA-Bibliothek als Beutekonstrukt, wurden diverse Sequenzen identifiziert. Identifiziert wurden das Poly(A)-Bindeprotein, Glycerin-aldehyd-3-phosphatdehydrogenase, die S-adenosyl-L-methionine-Synthetase, diverse Proteasom-Untereinheiten, eine sekretorische Peroxidase, eine Ascorbat-Peroxidase, die NtPOX1-Peroxidase und verschiedene Peroxidasen aus Nicotiana tabacum, Sequenzen des Chloroplastengenoms, ein Myosin-ähnliches Protein und eine Sequenz auf dem 5. Chromosom des Medicago truncatula-Klons mth2-16f8 und diverse humane Sequenzen der Proteine DKFZp68 und DKFZp77. Die Ergebnisse weisen auf eine komplexe Funktionsweise der unterschiedlichen Komponenten des pflanzlichen Cytoskeletts und des γ-Tubulins hin. Zur Aufklärung müsste dies in Zukunft mittels anderer genetischer, biochemischer oder funktioneller Methoden untersucht werden. Hypothesen über Interaktionen der Cytoskelettkomponenten können wahrscheinlich nicht allein durch die Anwendung des Y2H-Systems aufgeklärt werden.

Interaction between cell division proteins FtsE and FtsZ.

FtsE and FtsX, which are widely conserved homologs of ABC transporters and interact with each other, have important but unknown functions in bacterial cell division. Coimmunoprecipitation of Escherichia coli cell extracts revealed that a functional FLAG-tagged version of FtsE, the putative ATP-binding component, interacts with FtsZ, the bacterial tubulin homolog required to assemble the cytokinetic Z ring and recruit the components of the divisome. This interaction is independent of FtsX, the predicted membrane component of the ABC transporter, which has been shown previously to interact with FtsE. The interaction also occurred independently of FtsA or ZipA, two other E. coli cell division proteins that interact with FtsZ. In addition, FtsZ copurified with FLAG-FtsE. Surprisingly, the conserved C-terminal tail of FtsZ, which interacts with other cell division proteins, such as FtsA and ZipA, was dispensable for interaction with FtsE. In support of a direct interaction with FtsZ, targeting of a green fluorescent protein (GFP)-FtsE fusion to Z rings required FtsZ, but not FtsA. Although GFP-FtsE failed to target Z rings in the absence of ZipA, its localization was restored in the presence of the ftsA* bypass suppressor, indicating that the requirement for ZipA is indirect. Coexpression of FLAG-FtsE and FtsX under certain conditions resulted in efficient formation of minicells, also consistent with an FtsE-FtsZ interaction and with the idea that FtsE and FtsX regulate the activity of the divisome.

Genetic and functional analyses of cell division proteins FtsZ and FtsA in Escherichia coli

In the current model for bacterial cell division, the FtsZ protein forms a ring that marks the division plane, creating a cytoskeletal framework for the subsequent action of other essential division proteins such as FtsA and ZipA. The putative protein complex ultimately generates the division septum. The essential cell division protein FtsZ is a functional and structural homolog of eukaryotic tubulin, and like tubulin, FtsZ hydrolyzes GTP and self-assembles into protein filaments in a strictly GTP-dependent manner. FtsA shares sequence similarity with members of the ATPase superfamily that include actin, but its actual function remains unknown. To test the division model and elucidate functions of the division proteins, this dissertation primarily focuses on the analysis of FtsZ and FtsA in Escherichia coli. ^ By tagging with green fluorescent protein, we first demonstrated that FtsA also exhibits a ring-like structure at the potential division site. The localization of FtsA was dependent on functional FtsZ, suggesting that FtsA is recruited to the septum by the FtsZ ring. In support of this idea, we showed that FtsA and FtsZ directly interact. Using a novel E. coli in situ assay, we found that the FtsA-FtsZ interaction appears to be species-specific, although an interspecies interaction could occur between FtsA and FtsZ proteins from two closely related organisms. In addition, mutagenesis of FtsA revealed that no single domain is solely responsible for its septal localization or interaction with FtsZ. To explore the function of FtsA, we purified FtsA protein and demonstrated that it has ATPase activity. Furthermore, purified FtsA stimulates disassembly of FtsZ polymers in a sedimentation assay but does not affect GTP hydrolysis of FtsZ. This result suggests that in the cell, FtsA may function similarly in regulating dynamic instability of the FtsZ ring during the cell division process. ^ To elucidate the structure-function relationship of FtsZ, we carried out thorough genetic and functional analyses of the mutagenized FtsZ derivatives. Our results indicate that the conserved N-terminal domain of FtsZ is necessary and sufficient for FtsZ self-assembly and localization. Moreover, we discovered a critical role for an extreme C-terminal domain of FtsZ that consists of only 12 residues. Truncated FtsZ derivatives lacking this domain, though able to polymerize and localize, are defective in ring formation in vivo as well as interaction with FtsA and ZipA. Alanine scanning mutagenesis of this region pinpointed at least five residues necessary for the function of FtsZ. Studies of protein levels and protein-protein interactions suggested that these residues may be involved in regulating protein stability and/or FtsZ-FtsA interactions. Interestingly, two of the point mutants exhibited dominant-negative phenotypes. ^ In summary, results from this thesis work have provided additional support for the division machinery model and will contribute to a better understanding of the coordinate functions of FtsA and FtsZ in the cell division process. ^

Colocalization of cell division proteins FtsZ and FtsA to cytoskeletal structures in living Escherichia coli cells by using green fluorescent protein

In the current model for bacterial cell division, FtsZ protein forms a ring that marks the division plane, creating a cytoskeletal framework for the subsequent action of other proteins such as FtsA. This putative protein complex ultimately generates the division septum. Herein we report that FtsZ and FtsA proteins tagged with green fluorescent protein (GFP) colocalize to division-site ring-like structures in living bacterial cells in a visible space between the segregated nucleoids. Cells with higher levels of FtsZ–GFP or with FtsA–GFP plus excess wild-type FtsZ were inhibited for cell division and often exhibited bright fluorescent spiral tubules that spanned the length of the filamentous cells. This suggests that FtsZ may switch from a septation-competent localized ring to an unlocalized spiral under some conditions and that FtsA can bind to FtsZ in both conformations. FtsZ–GFP also formed nonproductive but localized aggregates at a higher concentration that could represent FtsZ nucleation sites. The general domain structure of FtsZ–GFP resembles that of tubulin, since the C terminus of FtsZ is not required for polymerization but may regulate polymerization state. The N-terminal portion of Rhizobium FtsZ polymerized in Escherichia coli and appeared to copolymerize with E. coli FtsZ, suggesting a degree of interspecies functional conservation. Analysis of several deletions of FtsA–GFP suggests that multiple segments of FtsA are important for its localization to the FtsZ ring.

An archaebacterial homologue of the essential eubacterial cell division protein FtsZ.

Life falls into three fundamental domains--Archaea, Bacteria, and Eucarya (formerly archaebacteria, eubacteria, and eukaryotes,. respectively). Though Archaea lack nuclei and share many morphological features with Bacteria, molecular analyses, principally of the transcription and translation machineries, have suggested that Archaea are more related to Eucarya than to Bacteria. Currently, little is known about the archaeal cell division apparatus. In Bacteria, a crucial component of the cell division machinery is FtsZ, a GTPase that localizes to a ring at the site of septation. Interestingly, FtsZ is distantly related in sequence to eukaryotic tubulins, which also interact with GTP and are components of the eukaryotic cell cytoskeleton. By screening for the ability to bind radiolabeled nucleotides, we have identified a protein of the hyperthermophilic archaeon Pyrococcus woesei that interacts tightly and specifically with GTP. Furthermore, through screening an expression library of P. woesei genomic DNA, we have cloned the gene encoding this protein. Sequence comparisons reveal that the P. woesei GTP-binding protein is strikingly related in sequence to eubacterial FtsZ and is marginally more similar to eukaryotic tubulins than are bacterial FtsZ proteins. Phylogenetic analyses reinforce the notion that there is an evolutionary linkage between FtsZ and tubulins. These findings suggest that the archaeal cell division apparatus may be fundamentally similar to that of Bacteria and lead us to consider the evolutionary relationships between Archaea, Bacteria, and Eucarya.

Growth factors can enhance lymphocyte survival without committing the cell to undergo cell division.

Growth factors have been defined by their ability to promote the proliferative expansion of receptor-bearing cells. For example, antigen-activated T cells expressing the alpha beta gamma form of the interleukin 2 (IL-2) receptor will proliferate in response to IL-2. In contrast, resting T cells, which express the IL-2 receptor beta and gamma chains, do not proliferate in response to IL-2. We demonstrate that the survival of resting T cells following gamma irradiation is greatly enhanced by pretreatment with IL-2. The radioprotective effect of IL-2 is dose dependent, does not result from the induction of cell proliferation, and does not require expression of the IL-2 receptor alpha chain. Thus, the beta gamma IL-2 receptor expressed on resting T cells can transduce signals that promote cell survival without committing the T cell to undergo cell division. IL-4 and IL-7, but not IL-1, IL-3, or IL-6, were also found to enhance the survival of quiescent T cells following gamma irradiation. Thus, certain growth factor-receptor interactions can serve to maintain cell viability in a manner that is independent of their ability to initiate or maintain cell proliferation. These data may have important implications for the use of growth factors in patients being treated with radiation and/or chemotherapy.

Wolbachia replication and host cell division in Aedes albopictus

Wolbachia pipientis is an obligate intracellular endosymbiont of a range of arthropod species. The microbe is best known for its manipulations of host reproduction that include inducing cytoplasmic incompatibility, parthenogenesis, feminization, and male-killing. Like other vertically transmitted intracellular symbionts, Wolbachiarsquos replication rate must not outpace that of its host cells if it is to remain benign. The mosquito Aedes albopictus is naturally infected both singly and doubly with different strains of Wolbachia pipientis. During diapause in mosquito eggs, no host cell division is believed to occur. Further development is triggered only by subsequent exposure of the egg to water. This study uses diapause in Wolbachia-infected Aedes albopictus eggs to determine whether symbiont replication slows or stops when host cell division ceases or whether it continues at a low but constant rate. We have shown that Wolbachia densities in eggs are greatest during embryonation and then decline throughout diapause, suggesting that Wolbachia replication is dependent on host cell replication.